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Fisica generale. Corrente elettrica nei metalli

Classe: 11

Presentazione per la lezione

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Obiettivi della lezione:

Svelare il concetto di natura fisica della corrente elettrica nei metalli, conferma sperimentale della teoria elettronica;

Continuare la formazione di idee scientifiche naturali sull'argomento in studio

Creare le condizioni per la formazione dell'interesse cognitivo, l'attività degli studenti

Formazione delle competenze;

Formazione della comunicazione comunicativa.

Attrezzatura: complesso interattivo SMART Board Notebook, rete locale di computer, Internet.

Metodo di insegnamento della lezione: combinato.

Epigrafe della lezione:

Sforzati di comprendere la scienza sempre più a fondo,
Desiderio della conoscenza dell'eterno.
Solo la prima conoscenza brillerà su di te luce,
Saprai: non c'è limite alla conoscenza.

Ferdowsi
(Poeta persiano e tagico, 940-1030)

Piano della lezione.

I. Momento organizzativo

II. Lavoro di gruppo

III. Discussione dei risultati, installazione della presentazione

IV. Riflessione

V. Compiti a casa

Durante le lezioni

Ciao ragazzi! Sedere. Oggi lavoreremo in gruppo.

Compiti per i gruppi:

I. Natura fisica delle cariche nei metalli.

II. L'esperienza di K.Rikke.

III. Esperienza di Stuart, Tolman. Esperienza di Mandelstam, Papaleksi.

IV. Teoria di Drudi.

V. Volt-ampere caratteristico dei metalli. Legge di Ohm.

VI. La dipendenza della resistenza dei conduttori dalla temperatura.

VII. Superconduttività.

1. La conducibilità elettrica è la capacità delle sostanze di condurre una corrente elettrica sotto l'influenza di un campo elettrico esterno.

Secondo la natura fisica delle cariche - portatori di corrente elettrica, la conducibilità elettrica è suddivisa in:

A) elettronico

B) ionico

B) misto.

2. Per ogni sostanza in determinate condizioni, è caratteristica una certa dipendenza dell'intensità attuale dalla differenza potenziale.

Secondo la resistività di una sostanza, è consuetudine suddividerla in:

A) conduttori (pag< 10 -2 Ом*м)

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

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

Tuttavia, tale divisione è condizionata, perché sotto l'influenza di una serie di fattori (riscaldamento, irradiazione, impurità), la resistività delle sostanze e le loro caratteristiche volt-ampere cambiano, e talvolta in modo molto significativo.

3. I portatori di cariche libere nei metalli sono gli elettroni. Dimostrato da esperimenti classici K. Rikke (1901) - fisico tedesco; LI Mandelstam e N. D. Papaleksi (1913) - i nostri compatrioti; T. Stewart e R. Tolman (1916) - Fisici americani.

L'esperienza di K.Rikke

Rikke ha piegato tre cilindri prepesati (due di rame e uno di alluminio) con le estremità lucide in modo che quello di alluminio fosse tra quelli di rame. Quindi i cilindri sono stati collegati a un circuito CC: una grande corrente li ha attraversati durante l'anno. Durante quel tempo, una carica elettrica pari a circa 3,5 milioni di C è passata attraverso i cilindri elettrici. L'interazione secondaria dei cilindri, effettuata fino a 0,03 mg, ha mostrato che la massa dei cilindri non è cambiata come risultato dell'esperimento. Esaminando le estremità a contatto al microscopio, si è riscontrato che vi sono solo tracce minori di penetrazione dei metalli, che non superano i risultati della normale diffusione degli atomi nei solidi. I risultati dell'esperimento hanno indicato che gli ioni non partecipano al trasferimento di carica nei metalli.

LI Mandel'stam

N. . Papalessia

Esperienza di L. I. Mandelstam e N. D. Papaleksi

Scienziati russi L. I. Mandelstam (1879-1949; fondatore della scuola di fisici radiofonici) e N. D. Papaleksi (1880-1947; il più grande fisico sovietico, accademico, presidente del Consiglio scientifico di tutta l'Unione per la fisica radio e l'ingegneria radio sotto l'Accademia di Scienze dell'URSS) nel 1913 consegnò l'esperienza originale. Presero una bobina di filo e iniziarono a torcerla in diverse direzioni.

Svolgi, ad esempio, in senso orario, quindi fermati bruscamente e torna indietro.

Hanno ragionato in questo modo: se gli elettroni hanno davvero massa, quando la bobina si ferma improvvisamente, gli elettroni dovrebbero continuare a muoversi per inerzia per un po 'di tempo. Il movimento degli elettroni attraverso un filo è una corrente elettrica. Come previsto, così è successo. Abbiamo collegato un telefono alle estremità del filo e abbiamo sentito un suono. Una volta che si sente un suono nel telefono, quindi, la corrente lo attraversa.

T.Stewart

L'esperienza di T. Stewart e R. Tolman

Prendiamo una bobina che può ruotare attorno al proprio asse. Le estremità della bobina sono collegate al galvanometro tramite contatti striscianti. Se la bobina, che è in rapida rotazione, viene frenata bruscamente, gli elettroni liberi nel filo continueranno a muoversi per inerzia, per cui il galvanometro deve registrare un impulso di corrente.

Teoria di Drudi

Gli elettroni in un metallo sono considerati come un gas di elettroni, a cui può essere applicata la teoria cinetica dei gas. Si ritiene che gli elettroni, come gli atomi di gas nella teoria cinetica, siano sfere solide identiche che si muovono in linea retta finché non si scontrano tra loro. Si suppone che la durata di un singolo urto sia trascurabile e che non agiscano altre forze tra le molecole, eccetto quelle che sorgono al momento dell'urto. Poiché un elettrone è una particella caricata negativamente, per soddisfare la condizione di neutralità elettrica in un solido, devono esserci anche particelle di tipo diverso, caricate positivamente. Drude ha suggerito che la carica positiva di compensazione appartiene a particelle molto più pesanti (ioni), che considerava immobili. Al tempo di Drude, non era chiaro perché ci fossero elettroni liberi e ioni caricati positivamente nel metallo, e cosa fossero questi ioni. Solo la teoria quantistica dei solidi potrebbe dare risposte a queste domande. Per molte sostanze, tuttavia, si può semplicemente supporre che il gas di elettroni sia costituito da elettroni di valenza esterni debolmente legati al nucleo, che vengono “liberati” nel metallo e sono in grado di muoversi liberamente attraverso il metallo, mentre i nuclei atomici con elettroni di i gusci (nuclei atomici) rimangono invariati e svolgono il ruolo di ioni positivi fissi della teoria di Drude.

Corrente elettrica nei metalli

Tutti i metalli sono conduttori di corrente elettrica e sono costituiti da un reticolo cristallino spaziale, i cui nodi coincidono con i centri degli ioni positivi e gli elettroni liberi si muovono casualmente attorno agli ioni.

Fondamenti della teoria elettronica della conduttività dei metalli.

Un metallo può essere descritto dal seguente modello: il reticolo cristallino di ioni è immerso in un gas di elettroni ideale costituito da elettroni liberi. Nella maggior parte dei metalli, ogni atomo è ionizzato, quindi la concentrazione di elettroni liberi è approssimativamente uguale alla concentrazione di atomi 10 23 - 10 29 m -3 e quasi non dipende dalla temperatura.
Gli elettroni liberi nei metalli sono in continuo movimento caotico.
Una corrente elettrica in un metallo si forma solo a causa del movimento ordinato di elettroni liberi.
Collidendo con gli ioni che vibrano ai nodi del reticolo cristallino, gli elettroni danno loro energia in eccesso. Questo è il motivo per cui i conduttori si riscaldano quando la corrente scorre.

Corrente elettrica nei metalli.

Superconduttività

Il fenomeno di riduzione della resistività a zero a una temperatura diversa dallo zero assoluto è chiamato superconduttività. I materiali che mostrano la capacità di passare a determinate temperature diverse dallo zero assoluto in uno stato superconduttore sono chiamati superconduttori.

Il passaggio di corrente in un superconduttore avviene senza perdita di energia, quindi, una volta eccitata in un anello superconduttore, una corrente elettrica può esistere indefinitamente senza cambiamenti.

I materiali superconduttori sono già utilizzati negli elettromagneti. Sono in corso ricerche per creare linee elettriche superconduttrici.

L'applicazione del fenomeno della superconduttività in un'ampia pratica potrebbe diventare una realtà nei prossimi anni grazie alla scoperta nel 1986 della superconduttività della ceramica - composti di lantanio, bario, rame e ossigeno. La superconduttività di tali ceramiche viene mantenuta fino a temperature di circa 100 K.

Bravi ragazzi! Hanno fatto un ottimo lavoro. Si è rivelata una buona presentazione. Grazie per la lezione!

Letteratura.

Gorbushin Sh.A. Note di riferimento per lo studio della fisica per il corso della scuola secondaria di primo grado. - Izhevsk "Udmurzia", 1992.
Lanina I.Ya. Formazione degli interessi cognitivi degli studenti nelle lezioni di fisica: un libro per insegnanti. – M.: Illuminismo, 1985.
Lezione di fisica nella scuola moderna. Ricerca creativa per insegnanti: Un libro per insegnanti / Comp. E.M. Braverman / A cura di V.G. Razumovsky.- M.: Illuminismo, 1993
Digelev F.M. Dalla storia della fisica e dalla vita dei suoi creatori: un libro per studenti - M.: Education, 1986.
Kartsev V.L. Avventure di grandi equazioni - 3a edizione - M.: Conoscenza, 1986. (Vita di idee meravigliose).

Argomento della lezione Corrente elettrica nei metalli.

Una lezione per imparare cose nuove con elementi di controllo e ripetizione.

Attrezzatura: presentazione, installazione per l'esperimento sulla variazione di resistenza in funzione della temperatura.

Traguardi e obbiettivi. 1. Formare la conoscenza delle basi della teoria elettronica della conduttività dei metalli, la fondatezza sperimentale e l'applicazione pratica della teoria.

2. Espandi gli orizzonti degli studenti con una storia sul fenomeno della superconduttività.

3. Impara ad applicare la conoscenza della dipendenza della resistenza dalla temperatura nella risoluzione dei problemi.

4. Sollevare sentimenti patriottici attraverso la familiarizzazione con la storia delle scoperte nel campo della fisica dello stato solido.

Piano della lezione. (tramite diapositive)

1.Oggi a lezione.

2. Ripetiamo. Vengono fornite domande, la cui conoscenza è richiesta quando si imparano cose nuove.

3. Lo studio del nuovo: a) la conduttività elettrica di varie sostanze, b) la natura dei portatori di carica nei metalli; c) la teoria della conduttività elettrica dei metalli; d) dipendenza della resistenza dalla temperatura; e) termometri a resistenza; f) superconduttività e sue applicazioni.

4. Prova di controllo. (Controlla dopo il clic del mouse).

5. Fissaggio. Vengono proposti tre problemi per la dipendenza della resistenza dalla temperatura. Le risposte vengono visualizzate dopo un clic del mouse. Gli studenti prendono i parametri costanti necessari dalle tabelle.

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"Presentazione per la lezione "Corrente elettrica nei metalli", Grado 10."

Corrente elettrica nei metalli

Savvateeva Svetlana Nikolaevna, insegnante di fisica, MBOU "Scuola secondaria Kemetskaya" del distretto Bologovsky della regione di Tver.

OGGI A LEZIONE

Il segreto diventa chiaro. Cosa si nasconde dietro il concetto "Portatori di corrente nei metalli"?

Quali sono le difficoltà della teoria classica della conduttività elettrica dei metalli?

Perché le lampadine a incandescenza si bruciano?

Perché si bruciano quando sono accesi?

Come perdere resistenza?

RIPETERE

Cos'è la corrente elettrica?
Quali sono le condizioni per l'esistenza di una corrente?
Quali azioni della corrente conosci?
Qual è la direzione della corrente?
Qual è il valore della corrente in un circuito elettrico?
Qual è l'unità di corrente?
Da quali quantità dipende la forza attuale?
Qual è la velocità di propagazione della corrente nel conduttore?
Qual è la velocità del movimento ordinato degli elettroni?
La resistenza dipende dalla corrente e dalla tensione?
Come si formula la legge di Ohm per un tratto di catena e per una catena completa?

NATURA DEI PORTATORI DI CARICA NEI METALLI

L'esperienza di Rikke (tedesco) - Anno 1901! M = const, questi non sono ioni!

Mandelstam e Papaleksi (1913)

Stewart e Tolman (1916)

Nella direzione della corrente -

Di І J io - q ⁄ m = e ⁄ m) è elettroni!

La corrente elettrica nei metalli è il movimento diretto degli elettroni.

Teoria della conduttività elettrica dei metalli

P. Drusa, 1900:

elettroni liberi - "gas elettronico";
gli elettroni si muovono secondo le leggi di Newton;
gli elettroni liberi collidono con gli ioni cristallini. grate;
in caso di collisione, gli elettroni trasferiscono la loro energia cinetica agli ioni;
la velocità media è proporzionale all'intensità e, quindi, alla differenza di potenziale;

R=f( ρ, l, s, t)

termometri a resistenza

Vantaggi: aiuta a misurare temperature molto basse e molto alte.

superconduttività

Mercurio in elio liquido

La spiegazione si basa sulla teoria quantistica.

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

N. Bogolyubov (co-studente nel 1957)

ottenere correnti elevate, campi magnetici;
trasmissione di energia elettrica senza perdite.

prova di controllo

Come si muovono gli elettroni liberi nei metalli?

R. In un ordine rigorosamente definito. B. A caso. B. Ordinato.

Come si muovono gli elettroni liberi nei metalli sotto l'azione di un campo elettrico?

R. Disordinato. B. Ordinato. B. Ordinato nella direzione del campo elettrico. G. Ordinato nella direzione opposta al campo elettrico.

. Quali particelle si trovano ai nodi del reticolo cristallino dei metalli e quale carica hanno?

A. Ioni negativi. B. Elettroni. B. Ioni positivi.

Quale effetto della corrente elettrica viene utilizzato nelle lampade elettriche?

R. Magnetico. B. Termico. B. Chimico. G. Leggero e termico.

Il movimento di quali particelle è preso come direzione della corrente nel conduttore?

A.Elektronov. B. Ioni negativi. B. Cariche positive.

Perché i metalli si surriscaldano quando la corrente li attraversa?

A. Gli elettroni liberi si scontrano tra loro. B. Gli elettroni liberi collidono con gli ioni. B. Gli ioni si scontrano con gli ioni.

Come cambia la resistenza dei metalli quando vengono raffreddati?

R. Aumenta. B. Diminuisce. B. Non cambia.

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

RISOLVERE IL PROBLEMA

1. Resistenza elettrica di un filamento di tungsteno di una lampada elettrica a una temperatura di 23 °C è uguale a 4 ohm.

Trovare la resistenza elettrica del filamento a 0°C.

(Risposta: 3,6 ohm)

2. La resistenza elettrica di un filamento di tungsteno a 0°C è di 3,6 ohm. Trova la resistenza elettrica

Alla temperatura di 2700 K.

(Risposta: 45,5 ohm)

3. La resistenza elettrica del filo a 20°C è di 25 ohm, a 60°C è di 20 ohm. Trovare

Coefficiente di temperatura della resistenza elettrica.

(Risposta: 0,0045 K¯¹)

Corrente elettrica nei metalli Savvateeva Svetlana Nikolaevna, insegnante di fisica, MBOU "Scuola secondaria Kemetskaya" del distretto Bologovsky della regione di Tver. OGGI A LEZIONE Il segreto diventa chiaro. Cosa si nasconde dietro il concetto "Portatori di corrente nei metalli"? Quali sono le difficoltà della teoria classica della conducibilità elettrica dei metalli? Perché le lampadine a incandescenza si bruciano? Perché si bruciano quando sono accesi? Come perdere resistenza? RIPETERE

Cos'è la corrente elettrica?
Quali sono le condizioni per l'esistenza di una corrente?
Quali azioni della corrente conosci?
Qual è la direzione della corrente?
Qual è il valore della corrente in un circuito elettrico?
Qual è l'unità di corrente?
Da quali quantità dipende la forza attuale?
Qual è la velocità di propagazione della corrente nel conduttore?
Qual è la velocità del movimento ordinato degli elettroni?
La resistenza dipende dalla corrente e dalla tensione?
Come si formula la legge di Ohm per un tratto di catena e per una catena completa?

CONDUCIBILITÀ ELETTRICA DI VARIE SOSTANZE

Mandelstam e Papaleksi (1913)

Stewart e Tolman (1916)

Nella direzione della corrente -< 0

Per І J I - q ⁄ m = e ⁄ m ) questi sono elettroni!

L'esperienza di Rikke (tedesco) - Anno 1901! M = const, questi non sono ioni!

NATURA DEI PORTATORI DI CARICA NEI METALLI

La corrente elettrica nei metalli è il movimento diretto degli elettroni.

Teoria della conduttività elettrica dei metalli

P. Drusa, 1900:

elettroni liberi - "gas elettronico";
gli elettroni si muovono secondo le leggi di Newton;
gli elettroni liberi collidono con gli ioni cristallini. grate;
in caso di collisione, gli elettroni trasferiscono la loro energia cinetica agli ioni;
la velocità media è proporzionale all'intensità e, quindi, alla differenza di potenziale;

R= f (ρ, l, s, t)

termometri a resistenza

Vantaggi: aiuta a misurare temperature molto basse e molto alte.

superconduttività Mercurio in elio liquido

La spiegazione si basa sulla teoria dei quanti.

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

N. Bogolyubov (co-studente nel 1957)

Applicazione della superconduttività!

ottenere correnti elevate, campi magnetici;
trasmissione di energia elettrica senza perdite.

prova di controllo

Come si muovono gli elettroni liberi nei metalli?
Come si muovono gli elettroni liberi nei metalli sotto l'azione di un campo elettrico?
.Quali particelle si trovano ai nodi del reticolo cristallino dei metalli e che carica hanno?
Quale effetto della corrente elettrica viene utilizzato nelle lampade elettriche?
Il movimento di quali particelle è preso come direzione della corrente nel conduttore?
Perché i metalli si surriscaldano quando la corrente li attraversa?
Come cambia la resistenza dei metalli quando vengono raffreddati?

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

RISOLVERE IL PROBLEMA

1. La resistenza elettrica del filamento di tungsteno di una lampada elettrica a una temperatura di 23 ° C è di 4 ohm.

Trovare la resistenza elettrica del filamento a 0°C.

(Risposta: 3,6 ohm)

2. La resistenza elettrica di un filamento di tungsteno a 0°C è di 3,6 ohm. Trova la resistenza elettrica

Alla temperatura di 2700 K.

(Risposta: 45,5 ohm)

3. La resistenza elettrica del filo a 20°C è di 25 ohm, a 60°C è di 20 ohm. Trovare

Coefficiente di temperatura della resistenza elettrica.

COS'È LA CORRENTE ELETTRICA NEI METALLI?

Corrente elettrica nei metalli -è il movimento ordinato degli elettroni sotto l'azione di un campo elettrico. Gli esperimenti mostrano che quando la corrente scorre attraverso un conduttore metallico, non c'è trasferimento di materia, quindi gli ioni metallici non prendono parte al trasferimento di carica elettrica.

NATURA DELLA CORRENTE ELETTRICA NEI METALLI

La corrente elettrica nei conduttori metallici non provoca alcun cambiamento in questi conduttori, ad eccezione del loro riscaldamento.

La concentrazione di elettroni di conduzione in un metallo è molto alta: in ordine di grandezza è pari al numero di atomi per unità di volume del metallo. Gli elettroni nei metalli sono in costante movimento. Il loro movimento casuale ricorda il movimento delle molecole di gas ideali. Ciò ha dato motivo di credere che gli elettroni nei metalli formino una specie di gas di elettroni. Ma la velocità del movimento casuale degli elettroni in un metallo è molto maggiore della velocità delle molecole in un gas.

L'ESPERIENZA DI E.RIKKE

Il fisico tedesco Carl Rikke ha condotto un esperimento in cui una corrente elettrica è passata per un anno attraverso tre cilindri levigati premuti l'uno contro l'altro: rame, alluminio e ancora rame. Dopo il completamento, si è riscontrato che vi sono solo tracce minori di penetrazione reciproca dei metalli, che non superano i risultati della normale diffusione degli atomi nei solidi. Le misurazioni effettuate con un alto grado di precisione hanno mostrato che la massa di ciascuno dei cilindri è rimasta invariata. Poiché le masse degli atomi di rame e alluminio differiscono significativamente l'una dall'altra, la massa dei cilindri dovrebbe cambiare notevolmente se i portatori di carica fossero ioni. Pertanto, i portatori di carica gratuiti nei metalli non sono ioni. L'enorme carica che è passata attraverso i cilindri era apparentemente trasportata da particelle che sono le stesse sia nel rame che nell'alluminio. È naturale supporre che siano gli elettroni liberi a svolgere la corrente nei metalli.

Carl Victor Eduard Rikke

ESPERIENZA L.I. MANDELSHTAMA e N.D. PAPALEKSI

Gli scienziati russi L. I. Mandelstam e N. D. Papaleksi nel 1913 organizzarono un esperimento originale. La bobina con il filo ha iniziato a torcersi in direzioni diverse. Svolgi, in senso orario, quindi fermati bruscamente e torna indietro. Hanno ragionato in questo modo: se gli elettroni hanno davvero massa, quando la bobina si ferma improvvisamente, gli elettroni dovrebbero continuare a muoversi per inerzia per un po 'di tempo. E così è successo. Abbiamo collegato un telefono alle estremità del filo e abbiamo sentito un suono, il che significava che la corrente lo attraversava.

Mandel'stam Leonid Isaakovich

Nikolai Dmitrievich Papalessia (1880-1947)

L'ESPERIENZA DI T. STUART E R. TOLMAN

L'esperienza di Mandelstam e Papaleksi fu ripetuta nel 1916 dagli scienziati americani Tolman e Stuart.

Una bobina con un gran numero di spire di filo sottile è stata portata in rapida rotazione attorno al proprio asse. Le estremità della bobina erano collegate con fili flessibili a un sensibile galvanometro balistico. La bobina non attorcigliata è stata bruscamente decelerata, nel circuito si è verificata una corrente a breve termine dovuta all'inerzia dei portatori di carica. La carica totale che scorre attraverso il circuito è stata misurata dalla deflessione dell'ago del galvanometro.

Maggiordomo Stuart Thomas

Richard ChaseTolman

TEORIA ELETTRONICA CLASSICA

L'ipotesi che gli elettroni siano responsabili della corrente elettrica nei metalli esisteva anche prima dell'esperimento di Stewart e Tolman. Nel 1900, lo scienziato tedesco P. Drude, basato sull'ipotesi dell'esistenza di elettroni liberi nei metalli, creò la sua teoria elettronica della conducibilità dei metalli, dal nome teoria elettronica classica . Secondo questa teoria, gli elettroni nei metalli si comportano come un gas di elettroni, proprio come un gas ideale. Riempie lo spazio tra gli ioni che formano il reticolo cristallino del metallo

La figura mostra la traiettoria di uno degli elettroni liberi nel reticolo cristallino di un metallo

PRINCIPALI DISPOSIZIONI DELLA TEORIA:

La presenza di un gran numero di elettroni nei metalli contribuisce alla loro buona conduttività.
Sotto l'azione di un campo elettrico esterno, un movimento ordinato si sovrappone al movimento casuale degli elettroni, ad es. avviene la corrente.
La forza della corrente elettrica che scorre attraverso un conduttore metallico è:
Poiché la struttura interna di diverse sostanze è diversa, anche la resistenza sarà diversa.
Con un aumento del movimento caotico delle particelle di una sostanza, il corpo viene riscaldato, ad es. rilascio di calore. Qui si osserva la legge di Joule-Lenz:

l \u003d e * n * S * Ū d

SUPERCONDUCIBILITÀ DEI METALLI E DELLE LEGHE

Alcuni metalli e leghe hanno superconduttività, la proprietà di avere una resistenza elettrica strettamente nulla quando raggiungono una temperatura inferiore a un certo valore (temperatura critica).

Il fenomeno della superconduttività fu scoperto dal fisico olandese H. Kamerling - Ohness nel 1911 nel mercurio (T cr = 4,2 o K).

APPLICAZIONE CORRENTE ELETTRICA:

ricezione di forti campi magnetici
trasmissione di energia elettrica dalla fonte al consumatore
potenti elettromagneti con avvolgimento superconduttore in generatori, motori elettrici e acceleratori, in dispositivi di riscaldamento

Attualmente esiste un grosso problema nel settore energetico associato a grandi perdite durante la trasmissione di elettricità attraverso i cavi.

Possibile soluzione al problema:

Realizzazione di ulteriori linee di trasmissione - sostituzione di cavi di grosse sezioni - aumento di tensione - sfasamento

CORRENTE ELETTRICA NEI METALLI

diapositiva 2

Fondamenti della teoria elettronica della conducibilità All'inizio del XX secolo fu creata la teoria elettronica classica della conducibilità dei metalli (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), che forniva una spiegazione semplice e visiva della maggior parte delle le proprietà elettriche e termiche dei metalli. Paul Drude Karl Ludwig - Fisico tedesco Hendrik Anton Lorenz - Fisico olandese

diapositiva 3

Il moto degli elettroni obbedisce alle leggi della meccanica classica. Gli elettroni non interagiscono tra loro. Gli elettroni interagiscono solo con gli ioni del reticolo cristallino, questa interazione si riduce a una collisione. Negli intervalli tra le collisioni, gli elettroni si muovono liberamente. Gli elettroni di conduzione formano un "gas di elettroni", come un gas ideale. Il "gas elettronico" obbedisce alle leggi di un gas ideale. In ogni collisione, l'elettrone trasferisce tutta l'energia accumulata. Teoria elettronica classica Drude - Lorentz.

diapositiva 4

Corrente elettrica nei metalli Gli ioni del reticolo cristallino del metallo non prendono parte alla formazione della corrente. Il loro movimento durante il passaggio di corrente significherebbe il trasferimento di materia lungo il conduttore, che non si osserva. Ad esempio, negli esperimenti di E. Rikke (1901), la massa e la composizione chimica del conduttore non sono cambiate durante il passaggio della corrente durante l'anno.

diapositiva 5

Conclusione: non c'è trasferimento di materia \u003d\u003e 1) Gli ioni metallici non prendono parte al trasferimento di carica elettrica. 2) Portatori di carica - particelle che compongono tutti i metalli Esperienza di Rikke 1901

Diapositiva 6: Gli elettroni non interagiscono tra loro, ma con gli ioni del reticolo cristallino. Ad ogni collisione, l'elettrone trasferisce la sua energia cinetica

Diapositiva 7

La prova sperimentale che la corrente nei metalli è creata da elettroni liberi è stata data negli esperimenti di L.I. Mandelstam e N. D. Papaleksi (1913, i risultati non furono pubblicati), così come T. Stewart e R. Tolman (1916). Hanno scoperto che quando una bobina in rapida rotazione si interrompe bruscamente, nel conduttore della bobina si verifica una corrente elettrica, creata da particelle caricate negativamente: gli elettroni.

Diapositiva 8

Esperienza di Mandelstam e Papaleksi Conclusione: i portatori di carica elettrica si muovono per inerzia 1913

Diapositiva 9

Esperienza di Tolman e Stewart Conclusioni: I portatori di carica nel metallo sono particelle caricate negativamente. Relazione = > La corrente elettrica nei metalli è dovuta al movimento degli elettroni 1916

Diapositiva 10: Gli ioni producono vibrazioni termiche, vicino alla posizione di equilibrio - i nodi del reticolo cristallino. Gli elettroni liberi si muovono in modo casuale e durante il loro movimento si scontrano con gli ioni del reticolo cristallino.

diapositiva 11

Un conduttore metallico è costituito da: ioni caricati positivamente che oscillano attorno alla posizione di equilibrio e 2) elettroni liberi che possono muoversi attraverso l'intero volume del conduttore. In un metallo, in assenza di un campo elettrico, gli elettroni di conduzione si muovono in modo casuale e si scontrano, il più delle volte con gli ioni del reticolo cristallino. La totalità di questi elettroni può essere approssimativamente considerata come una specie di gas di elettroni che obbedisce alle leggi di un gas ideale. La velocità media del moto termico degli elettroni a temperatura ambiente è di circa 105 m/s.

diapositiva 12

La dipendenza della resistenza del conduttore R dalla temperatura: Quando riscaldato, le dimensioni del conduttore cambiano poco, ma principalmente cambia la resistività. La resistenza specifica del conduttore dipende dalla temperatura: dove rho è la resistenza specifica a 0 gradi, t è la temperatura, è il coefficiente di temperatura della resistenza (cioè la variazione relativa della resistività del conduttore quando viene riscaldato di un grado)

diapositiva 13

Per tutti i conduttori metallici, α > 0 e cambia leggermente con la temperatura. Per la maggior parte dei metalli nell'intervallo di temperatura da 0 ° a 100 °C, il coefficiente α varia da 3,3⋅10–3 a 6,2⋅10–3 K–1 (Tabella 1). Nei metalli chimicamente puri esistono leghe speciali, la cui resistenza praticamente non cambia se riscaldata, ad esempio manganina e costantana. I loro coefficienti di temperatura di resistenza sono molto bassi e pari rispettivamente a 1⋅10–5 K–1 e 5⋅10–5 K–1.

Diapositiva 14

Pertanto, per i conduttori metallici, con l'aumentare della temperatura, la resistività aumenta, la resistenza del conduttore aumenta e la corrente elettrica nel circuito diminuisce. La resistenza di un conduttore con un cambiamento di temperatura può essere calcolata con la formula: R = Ro (1 + t) dove Ro è la resistenza del conduttore a 0 gradi Celsius t è la temperatura del conduttore - il coefficiente di temperatura della resistenza

Diapositiva 15: Resistenza del conduttore

La resistenza è una quantità fisica che caratterizza il grado di resistenza di un conduttore al movimento diretto delle cariche. La resistività è la resistenza di un conduttore cilindrico di lunghezza unitaria e area della sezione trasversale unitaria. La superconduttività è un fenomeno fisico che consiste in un brusco calo della resistenza a zero a una certa temperatura critica (T cr) - resistività, - lunghezza del conduttore, S - area della sezione trasversale \u003d (1 + ∆ T) - resistività a t \u003d 20 0 C; - coefficiente di temperatura della resistenza = 1/273 0 K -1 ∆ T - variazione di temperatura T, K 0 metallo superconduttore T cr 293

diapositiva 16

Superconduttività, proprietà di molti conduttori, consistente nel fatto che la loro resistenza elettrica scende bruscamente a zero quando vengono raffreddati al di sotto di una certa temperatura critica T k, caratteristica di un dato materiale. C. trovato in più di 25 elementi metallici, in un gran numero di leghe e composti intermetallici, e anche in alcuni semiconduttori.

Diapositiva 17

Nel 1911, il fisico olandese Kamerling-Onnes scoprì che quando il mercurio viene raffreddato in elio liquido, la sua resistenza prima cambia gradualmente, quindi a una temperatura di 4,2 K scende bruscamente a zero.

Diapositiva 18

G. Kamerlingh-Onnes ricevette il Premio Nobel per la fisica nel 1913 "per gli studi sulle proprietà della materia a basse temperature". Successivamente si è scoperto che più di 25 elementi chimici - i metalli a temperature molto basse diventano superconduttori. Ciascuno di essi ha la propria temperatura di transizione critica verso uno stato con resistenza zero. Il suo valore più basso per il tungsteno è 0,012 K, il più alto per il niobio è 9 K. La superconduttività si osserva non solo nei metalli puri, ma anche in molti composti chimici e leghe. In questo caso, gli elementi stessi, che fanno parte del composto superconduttore, potrebbero non essere superconduttori. Ad esempio, NiBi, Au2Bi, PdTe, PtSb e altri. Fino al 1986 si sapeva che i superconduttori possedevano questa proprietà a temperature molto basse, inferiori a –259°C. Nel 1986-1987 sono stati scoperti materiali con una temperatura di transizione allo stato superconduttore di circa -173 °C. Questo fenomeno è chiamato superconduttività ad alta temperatura e l'azoto liquido può essere utilizzato al posto dell'elio liquido per osservarlo.

Diapositiva 19: Superconduttività

Accademico V.L. Ginzburg, premio Nobel per il suo lavoro sulla superconduttività

Diapositiva 20: Superconduttività di metalli e leghe

Per molti metalli e leghe a temperature vicine a T = 0 K, si osserva una forte diminuzione della resistività: questo fenomeno è chiamato superconduttività dei metalli. Fu scoperto dal fisico olandese H. Kamerling - Ohness nel 1911 nel mercurio (T cr = 4,2 o K). TP 0

slide 21: informazioni generali

Circa la metà dei metalli e diverse centinaia di leghe possiedono la proprietà della superconduttività. Le proprietà superconduttive dipendono dal tipo di struttura cristallina. Cambiandolo si può trasferire la materia dallo stato ordinario a quello superconduttore. Le temperature critiche degli isotopi degli elementi che passano allo stato superconduttore sono legate alle masse degli isotopi dalla relazione: T e (M e) 1/2 = const (effetto isotopico) Un forte campo magnetico distrugge l'effetto della superconduttività. Pertanto, se posto in un campo magnetico, la proprietà della superconduttività potrebbe scomparire.

Diapositiva 22: Reazione alle impurità

L'introduzione di un'impurità in un superconduttore riduce la nitidezza della transizione allo stato superconduttore. Nei metalli normali la corrente scompare dopo circa 10 -12 s. In un superconduttore la corrente può circolare per anni (teoricamente 105 anni!).

Diapositiva 23: La natura fisica della superconduttività

Il fenomeno della superconduttività può essere compreso e giustificato solo con l'aiuto dei concetti quantistici, presentati nel 1957 dagli scienziati americani J. Bardin, L. Cooper, J. Schrieffer e dall'accademico sovietico N.N. Bogolyubov. Nel 1986 è stata scoperta la superconduttività ad alta temperatura di composti di lantanio, bario e altri elementi (T = 100 0 K è il punto di ebollizione dell'azoto liquido).

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Tuttavia, la resistenza zero non è l'unico segno distintivo della superconduttività. È anche noto dalla teoria di Drude che la conduttività dei metalli aumenta al diminuire della temperatura, cioè la resistenza elettrica tende a zero.

Partendo dal superconduttore immobile, il magnete galleggia e continua a salire fino a quando le condizioni esterne portano il superconduttore fuori dalla fase superconduttiva. Come risultato di questo effetto, un magnete che si avvicina a un superconduttore "vedrà" un magnete di polarità inversa esattamente della stessa dimensione, che provoca levitazione.

Diapositiva 27: Applicazione della superconduttività

1. Si stanno costruendo potenti elettromagneti con un avvolgimento superconduttore, che creano un campo magnetico senza consumare elettricità per un lungo periodo di tempo, perché non si verifica alcun rilascio di calore. 2. I magneti superconduttori sono utilizzati negli acceleratori di particelle elementari, magnetoidrodinamici e generatori che convertono l'energia di un getto di gas caldo ionizzato che si muove in un campo magnetico in energia elettrica. 3. La superconduttività ad alta temperatura nel prossimo futuro porterà a una rivoluzione tecnica nell'elettronica radio e nell'ingegneria radio. 4. Se è possibile creare superconduttori a temperatura ambiente, generatori e motori elettrici diventeranno estremamente compatti e sarà possibile trasmettere elettricità su lunghe distanze senza perdite.