namai › Aušinimas › Bendroji fizika. Elektros srovė metaluose

Bendroji fizika. Elektros srovė metaluose

Klasė: 11

Pamokos pristatymas

Atgal į priekį

Dėmesio! Skaidrių peržiūros yra skirtos tik informaciniams tikslams ir gali neatspindėti visų pristatymo funkcijų. Jei jus domina šis darbas, atsisiųskite pilną versiją.

Pamokos tikslai:

Išplėsti metalų elektros srovės fizikinės prigimties sampratą, elektroninės teorijos eksperimentinį patvirtinimą;

Tęsti gamtos mokslų idėjų formavimą nagrinėjama tema

Sudaryti sąlygas formuotis mokinių pažintiniam susidomėjimui ir aktyvumui

Įgūdžių formavimas;

Komunikacinio bendravimo formavimas.

Įranga: SMART Board Notebook interaktyvus kompleksas, vietinis kompiuterių tinklas, internetas.

Pamokos mokymo metodas: kombinuotas.

Pamokos epigrafas:

Stengtis vis giliau ir giliau suvokti mokslą,
Amžinojo pažinimo troškulys.
Tik pirmosios žinios nušvis tave,
Sužinosite: žinioms ribų nėra.

Ferdowsi
(Persų ir tadžikų poetas, 940–1030)

Pamokos planas.

I. Organizacinis momentas

II. Grupinis darbas

III. Rezultatų aptarimas, pristatymo įrengimas

IV. Atspindys

V. Namų darbai

Per užsiėmimus

Sveiki bičiuliai! Atsisėskite. Šiandien mūsų darbas vyks grupėse.

Grupinės užduotys:

I. Fizinė metalų krūvių prigimtis.

II. K.Rikke patirtis.

III. Stewarto, Tolmano patirtis. Mandelštamo patirtis, Papaleksi.

IV. Drude teorija.

V. Metalų srovės-įtampos charakteristikos. Omo dėsnis.

VI. Laidininko varžos priklausomybė nuo temperatūros.

VII. Superlaidumas.

1. Elektros laidumas – tai medžiagų gebėjimas pravesti elektros srovę veikiant išoriniam elektriniam laukui.

Pagal fizinį krūvių pobūdį - elektros srovės nešiklius, elektrinis laidumas skirstomas į:

A) elektroninis

B) joninis,

B) sumaišytas.

2. Kiekvienai medžiagai tam tikromis sąlygomis būdinga tam tikra srovės stiprumo priklausomybė nuo potencialų skirtumo.

Pagal specifinį atsparumą medžiagos paprastai skirstomos į:

A) laidininkai (p< 10 -2 Ом*м)

B) dielektrikai (p > 10–8 omų*m)

B) puslaidininkiai (10–2 omų*m> p>10–8 omų*m)

Tačiau šis padalijimas yra sąlyginis, nes veikiant daugeliui veiksnių (kaitinimo, švitinimo, priemaišų), medžiagų savitoji varža ir jų srovės įtampos charakteristikos keičiasi, o kartais ir labai reikšmingai.

3. Laisvųjų krūvių nešėjai metaluose yra elektronai. Klasikiniais eksperimentais įrodyta K. Riecke (1901) – vokiečių fizikas; L.I. Mandelštamas ir N.D.Papaleksi (1913) – mūsų tautiečiai; T. Stewart ir R. Tolman (1916) – amerikiečių fizikai.

K. Rikke patirtis

Rikke sukrovė tris iš anksto pasvertus cilindrus (du varinius ir vieną aliuminį) poliruotais galais taip, kad aliuminis būtų tarp varinių. Tada cilindrai buvo prijungti prie nuolatinės srovės grandinės: per metus ėjo didelė srovė. Per tą laiką per elektros cilindrus pratekėjo maždaug 3,5 milijono C elektros krūvis. Antrinė cilindrų sąveika, atlikta iki 0,03 mg, parodė, kad dėl eksperimento cilindrų masė nepasikeitė. Tiriant kontaktinius galus mikroskopu, buvo nustatyta, kad buvo tik nedideli metalo įsiskverbimo pėdsakai, kurie neviršijo įprastos atomų difuzijos kietose medžiagose rezultatų. Eksperimentiniai rezultatai parodė, kad jonai nedalyvauja perkeliant metalus.

L.I. Mandelštamas

N. . Papaleksi

L. I. Mandelštamo ir N. D. Papaleksi patirtis

Rusijos mokslininkai L. I. Mandelštamas (1879-1949; radiofizikų mokyklos įkūrėjas) ir N. D. Papaleksi (1880-1947; didžiausias sovietų fizikas, akademikas, SSRS mokslų akademijos sąjunginės radiofizikos ir radijo inžinerijos mokslinės tarybos pirmininkas) ) 1913 metais surengė pirminę patirtį. Jie paėmė vielos ritę ir pradėjo ją sukti įvairiomis kryptimis.

Jie suksis, pavyzdžiui, pagal laikrodžio rodyklę, tada staiga sustos ir tada atgal.

Jie samprotavo maždaug taip: jei elektronai tikrai turi masę, tada, kai ritė staiga sustoja, elektronai kurį laiką turėtų judėti inercija. Elektronų judėjimas išilgai vielos yra elektros srovė. Atsitiko taip, kaip planavome. Prie laido galų prijungėme telefoną ir išgirdome garsą. Kadangi telefone girdimas garsas, juo teka srovė.

T. Stiuartas

T. Stewarto ir R. Tolmano patirtis

Paimkime ritę, kuri gali suktis aplink savo ašį. Ritės galai slankiojančiais kontaktais sujungiami su galvanometru. Jei greitai besisukanti ritė yra smarkiai stabdoma, laisvieji elektronai laidoje ir toliau judės pagal inerciją, dėl to galvanometras turėtų užregistruoti srovės impulsą.

Drude teorija

Metale esantys elektronai laikomi elektronų dujomis, kurioms galima pritaikyti dujų kinetinę teoriją. Manoma, kad elektronai, kaip ir dujų atomai kinetikos teorijoje, yra identiškos kietos sferos, kurios juda tiesiomis linijomis, kol nesusiduria. Daroma prielaida, kad atskiro susidūrimo trukmė yra nereikšminga ir kad tarp molekulių neveikia jokios kitos jėgos, išskyrus tas, kurios atsiranda susidūrimo momentu. Kadangi elektronas yra neigiamo krūvio dalelė, tam, kad būtų laikomasi elektrinio neutralumo sąlygos, kietoje medžiagoje turi būti ir kitokio tipo dalelių – teigiamai įkrautų. Drude'as teigė, kad kompensuojamasis teigiamas krūvis priklausė daug sunkesnėms dalelėms (jonams), kurias jis laikė nejudriomis. Drude laikais nebuvo aišku, kodėl metale yra laisvųjų elektronų ir teigiamai įkrautų jonų ir kas tai yra. Atsakymus į šiuos klausimus galėtų pateikti tik kietųjų kūnų kvantinė teorija. Tačiau daugeliui medžiagų galime tiesiog daryti prielaidą, kad elektronų dujas sudaro išoriniai valentingi elektronai, silpnai surišti su branduoliu, kurie „išsilaisvina“ metale ir gali laisvai judėti visame metale, o atomo branduoliai su elektronais. vidinių apvalkalų (atomų šerdies) lieka nepakitę ir atlieka nejudančių teigiamų Drude teorijos jonų vaidmenį.

Elektros srovė metaluose

Visi metalai yra elektros srovės laidininkai ir susideda iš erdvinės kristalinės gardelės, kurios mazgai sutampa su teigiamų jonų centrais, o laisvieji elektronai chaotiškai juda aplink jonus.

Metalų laidumo elektroninės teorijos pagrindiniai principai.

Metalą galima apibūdinti tokiu modeliu: jonų kristalinė gardelė panardinta į idealias elektronų dujas, susidedančias iš laisvųjų elektronų. Daugumoje metalų kiekvienas atomas yra jonizuotas, todėl laisvųjų elektronų koncentracija yra maždaug lygi atomų koncentracijai 10 23 - 10 29 m -3 ir beveik nepriklauso nuo temperatūros.
Laisvieji elektronai metaluose nuolat chaotiškai juda.
Elektros srovė metale susidaro tik dėl tvarkingo laisvųjų elektronų judėjimo.
Susidūrę su jonais, svyruojančiais kristalinės gardelės mazguose, elektronai suteikia jiems energijos perteklių. Štai kodėl laidininkai įkaista, kai praeina srovė.

Elektros srovė metaluose.

Superlaidumas

Reiškinys, kai varža sumažėja iki nulio esant kitokiai nei absoliutus nulis temperatūrai, vadinamas superlaidumu. Medžiagos, kurios gali pereiti į superlaidžią būseną esant tam tikroms temperatūroms, išskyrus absoliutų nulį, vadinamos superlaidininkais.

Srovė praeina superlaidininke neprarandant energijos, todėl sužadinus superlaidžiame žiede elektros srovė gali egzistuoti neribotą laiką, nepakitusi.

Superlaidžios medžiagos jau naudojamos elektromagnetuose. Vykdomi tyrimai, skirti sukurti superlaidžias elektros linijas.

Superlaidumo reiškinio taikymas plačiai paplitusioje praktikoje ateinančiais metais gali tapti realybe, nes 1986 m. buvo atrastas keramikos – lantano, bario, vario ir deguonies junginių – superlaidumas. Tokios keramikos superlaidumas išlieka iki maždaug 100 K temperatūros.

Puiku vaikinai! Jie atliko puikų darbą. Tai buvo geras pristatymas. Ačiū už pamoką!

Literatūra.

Gorbushin Sh.A. Pagrindinės pastabos fizikos studijoms vidurinės mokyklos kursui. – Iževsko „Udmurtija“, 1992 m.
Lanina I.Ya. Mokinių pažintinių interesų formavimas fizikos pamokose: Knyga mokytojams. – M.: Išsilavinimas, 1985 m.
Fizikos pamoka šiuolaikinėje mokykloje. Kūrybinės mokytojų paieškos: knyga mokytojams / Comp. E.M. Braverman / Redagavo V.G. Razumovskis.- M.: Išsilavinimas, 1993 m
Digelevas F.M. Iš fizikos istorijos ir jos kūrėjų gyvenimo: Knyga mokiniams.- M.: Edukacija, 1986 m.
Kartsevas V.L. Didžiųjų lygčių nuotykiai – 3 leidimas – M.: Znanie, 1986. ( Nuostabių idėjų gyvenimas).

Pamokos tema: Elektros srovė metaluose.

Naujų dalykų mokymosi pamoka su kontrolės ir kartojimo elementais.

Įranga: pristatymas, montavimas eksperimentui dėl varžos keitimo priklausomai nuo temperatūros.

Tikslai ir siekiai. 1. Sukurti žinias apie elektroninės metalų laidumo teorijos pagrindus, teorijos eksperimentinį pagrindimą ir pritaikymą praktikoje.

2. Praplėskite mokinių akiratį pasakojimu apie superlaidumo fenomeną.

3. Išmokyti pritaikyti žinias apie atsparumo priklausomybę nuo temperatūros sprendžiant uždavinius.

4. Puoselėti patriotinius jausmus, susipažįstant su kietojo kūno fizikos srities atradimų istorija.

Pamokos planas. (pagal skaidres)

1.Šiandien klasėje.

2. Pakartokime. Pateikiami klausimai, kurie reikalauja žinių mokantis ko nors naujo.

3. Naujų dalykų tyrimas: a) įvairių medžiagų elektrinis laidumas, b) metalų krūvininkų prigimtis; c) metalų elektrinio laidumo teorija; d) atsparumo priklausomybė nuo temperatūros; e) varžos termometrai; f) superlaidumas ir jo pritaikymai.

4. Kontrolinis testas. (Patikrinkite po pelės paspaudimo).

5. Konsolidavimas. Pasiūlytos trys atsparumo priklausomybės nuo temperatūros problemos. Atsakymai pasirodo spustelėjus pelę. Mokiniai iš lentelių paima reikiamus pastovius parametrus.

Peržiūrėkite dokumento turinį
„Pristatymas pamokai „Elektros srovė metaluose“, 10 kl.

Elektros srovė metaluose

Svetlana Nikolaevna Savvateeva, Kemetskaya vidurinės mokyklos fizikos mokytoja, Bologovskio rajonas, Tverės sritis.

ŠIANDIEN KLASĖJE

Paslaptis tampa aiški. Kas slepiasi už koncepcijos „Srovės nešėjai metaluose“?

Kokie yra klasikinės metalų elektrinio laidumo teorijos sunkumai?

Kodėl dega kaitrinės lempos?

Kodėl įjungus jie perdega?

Kaip prarasti pasipriešinimą?

PAKARTOKIME

Kas yra elektros srovė?
Kokios yra srovės egzistavimo sąlygos?
Kokius srovės efektus žinote?
Kokia srovės kryptis?
Kokia vertė lemia srovės stiprumą elektros grandinėje?
Kas yra srovės vienetas?
Nuo kokių dydžių priklauso srovė?
Koks yra srovės sklidimo greitis laidininke?
Koks yra tvarkingo elektronų judėjimo greitis?
Ar varža priklauso nuo srovės ir įtampos?
Kaip suformuluotas Omo dėsnis grandinės atkarpai ir visai grandinei?

METALŲ KROVIŠČIŲ VEŽĖLIŲ POBŪDIS

Rikke patirtis (vokiečių kalba) – 1901 metai! M = const, tai ne jonai!

Mandelštamas ir Papaleksi (1913 m.)

Stewartas ir Tolmanas (1916)

Srovės kryptimi -

Autorius І J I - q ⁄ m = e ⁄ m ) yra elektronai!

Elektros srovė metaluose yra nukreiptas elektronų judėjimas.

Metalų elektrinio laidumo teorija

P. Druse, 1900:

laisvieji elektronai – „elektronų dujos“;
elektronai juda pagal Niutono dėsnius;
laisvieji elektronai susiduria su kristalų jonais. grotelės;
susidūrę elektronai perduoda savo kinetinę energiją jonams;
vidutinis greitis yra proporcingas įtempimui, taigi ir potencialų skirtumui;

R= f ( ρ, l, s, t)

varžos termometrai

Privalumai: Padeda išmatuoti labai žemą ir labai aukštą temperatūrą.

superlaidumas

Gyvsidabris skystame helyje

Paaiškinimas pagrįstas kvantine teorija.

D. Bardeen, L. Cooper, D. Schrieffer (amerikietis) ir

N. Bogolyubovas (sovietų studentas 1957 m.)

Ir:

didelių srovių ir magnetinių laukų gavimas;
elektros energijos perdavimas be nuostolių.

Kontrolinis testas

Kaip metaluose juda laisvieji elektronai?

A. Griežtai nustatyta tvarka. B. Netvarkingas. B. Tvarkingas.

Kaip laisvieji elektronai juda metaluose veikiami elektrinio lauko?

A. Netvarkingas. B. Tvarkingas. B. Sutvarkyta elektrinio lauko kryptimi. D. Užsakyta elektriniam laukui priešinga kryptimi.

. Kokios dalelės yra metalų kristalinės gardelės vietose ir kokį krūvį jos turi?

A. Neigiami jonai. B. Elektronai. B. Teigiami jonai.

Koks elektros srovės poveikis naudojamas elektros lempose?

A. Magnetinis. B. Šiluminis. B. Cheminis. G. Šviesa ir šiluminė.

Kurių dalelių judėjimas laikomas srovės kryptimi laidininke?

A. Elektronovas. B. Neigiami jonai. B. Teigiami mokesčiai.

Kodėl metalai įkaista, kai per juos teka srovė?

A. Laisvieji elektronai susiduria vienas su kitu. B. Laisvieji elektronai susiduria su jonais. B. Jonai susiduria su jonais.

Kaip kinta metalų atsparumas juos atšaldžius?

A. Padidėja. B. Sumažėja. B. Nesikeičia.

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

IŠSPRĘSTI PROBLEMAS

1. Elektros lempos volframo siūlelio elektrinė varža 23 laipsnių temperatūroje °C yra lygus 4 omams.

Raskite sriegio elektrinę varžą esant 0°C.

(Atsakymas: 3,6 omo)

2. Volframo siūlelio elektrinė varža 0°C temperatūroje yra 3,6 omo. Raskite elektros varžą

Esant 2700 K temperatūrai.

(Atsakymas: 45,5 omo)

3. Laido elektrinė varža 20 °C temperatūroje yra 25 omai, 60 °C temperatūroje - 20 omų. Rasti

Elektrinės varžos temperatūros koeficientas.

(Atsakymas: 0,0045 K¯¹)

Elektros srovė metaluose Svetlana Nikolaevna Savvateeva, Kemetskaya vidurinės mokyklos fizikos mokytoja, Bologovskio rajonas, Tverės sritis. ŠIANDIEN KLASĖJE Paslaptis tampa aiški. Kas slepiasi už koncepcijos „Srovės nešėjai metaluose“? Kokie yra klasikinės metalų elektrinio laidumo teorijos sunkumai? Kodėl dega kaitrinės lempos? Kodėl įjungus jie perdega? Kaip prarasti pasipriešinimą? PAKARTOKIME

Kas yra elektros srovė?
Kokios yra srovės egzistavimo sąlygos?
Kokius srovės efektus žinote?
Kokia srovės kryptis?
Kokia vertė lemia srovės stiprumą elektros grandinėje?
Kas yra srovės vienetas?
Nuo kokių dydžių priklauso srovė?
Koks yra srovės sklidimo greitis laidininke?
Koks yra tvarkingo elektronų judėjimo greitis?
Ar varža priklauso nuo srovės ir įtampos?
Kaip suformuluotas Omo dėsnis grandinės atkarpai ir visai grandinei?

ĮVAIRIŲ MEDŽIAGŲ ELEKTROS LAIDUMAS

Mandelštamas ir Papaleksi (1913 m.)

Stewartas ir Tolmanas (1916)

Srovės kryptimi -< 0

Pagal I J I - q ⁄ m = e ⁄ m ) tai elektronai!

Rikke patirtis (vokiečių kalba) – 1901 metai! M = const, tai ne jonai!

METALŲ KROVIŠČIŲ VEŽĖLIŲ POBŪDIS

Elektros srovė metaluose yra nukreiptas elektronų judėjimas.

Metalų elektrinio laidumo teorija

P. Druse, 1900:

laisvieji elektronai – „elektronų dujos“;
elektronai juda pagal Niutono dėsnius;
laisvieji elektronai susiduria su kristalų jonais. grotelės;
susidūrę elektronai perduoda savo kinetinę energiją jonams;
vidutinis greitis yra proporcingas įtempimui, taigi ir potencialų skirtumui;

R = f (ρ, l, s, t)

varžos termometrai

Privalumai: Padeda išmatuoti labai žemą ir labai aukštą temperatūrą.

superlaidumas Gyvsidabris skystame helyje

Paaiškinimas pagrįstas kvantine teorija.

D. Bardeenas, L. Cooperis, D. Schriefferis (amerikietis) ir

N. Bogolyubovas (sovietų studentas 1957 m.)

Superlaidumo taikymas!

didelių srovių ir magnetinių laukų gavimas;
elektros energijos perdavimas be nuostolių.

Kontrolinis testas

Kaip metaluose juda laisvieji elektronai?
Kaip laisvieji elektronai juda metaluose veikiami elektrinio lauko?
.Kokios dalelės yra metalų kristalinės gardelės vietose ir kokį krūvį jos turi?
Koks elektros srovės poveikis naudojamas elektros lempose?
Kurių dalelių judėjimas laikomas srovės kryptimi laidininke?
Kodėl metalai įkaista, kai per juos teka srovė?
Kaip kinta metalų atsparumas juos atšaldžius?

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

IŠSPRĘSTI PROBLEMAS

1. Elektros lempos volframo siūlelio elektrinė varža 23°C temperatūroje yra 4 Omai.

Raskite sriegio elektrinę varžą esant 0°C.

(Atsakymas: 3,6 omo)

2. Volframo siūlelio elektrinė varža 0°C temperatūroje yra 3,6 omo. Raskite elektros varžą

Esant 2700 K temperatūrai.

(Atsakymas: 45,5 omo)

3. Laido elektrinė varža 20 °C temperatūroje yra 25 omai, 60 °C temperatūroje - 20 omų. Rasti

Elektrinės varžos temperatūros koeficientas.

KAS YRA ELEKTROS SROVĖ METALUOSE?

Elektros srovė metaluose – Tai tvarkingas elektronų judėjimas veikiant elektriniam laukui. Eksperimentai rodo, kad srovei tekant metaliniu laidininku, jokia medžiaga neperduodama, todėl metalo jonai nedalyvauja perduodant elektros krūvį.

METALŲ ELEKTROS SROVĖS POBŪDIS

Elektros srovė metaliniuose laiduose nesukelia jokių šių laidininkų pakitimų, išskyrus jų įkaitimą.

Laidumo elektronų koncentracija metale yra labai didelė: pagal dydį ji lygi atomų skaičiui metalo tūrio vienete. Elektronai metaluose nuolat juda. Jų atsitiktinis judėjimas primena idealių dujų molekulių judėjimą. Tai davė pagrindo manyti, kad metaluose esantys elektronai sudaro tam tikras elektronų dujas. Tačiau atsitiktinio elektronų judėjimo greitis metale yra daug didesnis nei molekulių greitis dujose.

E.RIKKE PATIRTIS

Vokiečių fizikas Karlas Ricke'as atliko eksperimentą, kurio metu elektros srovė metus buvo leidžiama per tris vienas prie kito prispaustus įžeminimo cilindrus – varį, aliuminį ir vėl varį. Pabaigus buvo nustatyta, kad buvo tik nedideli metalų tarpusavio prasiskverbimo pėdsakai, kurie neviršijo įprastos atomų difuzijos kietose medžiagose. Dideliu tikslumu atlikti matavimai parodė, kad kiekvieno cilindro masė nepasikeitė. Kadangi vario ir aliuminio atomų masės labai skiriasi viena nuo kitos, cilindrų masė turėtų pastebimai pasikeisti, jei krūvininkai būtų jonai. Todėl laisvieji krūvininkai metaluose nėra jonai. Didžiulį krūvį, kuris praėjo per cilindrus, matyt, nešė dalelės, kurios yra vienodos ir varyje, ir aliuminyje. Natūralu manyti, kad srovę metaluose vykdo laisvieji elektronai.

Karlas Viktoras Eduardas Rikke

PATIRTIS L.I. MANDELSHTAMAS IR N.D. PAPALEXI

Rusų mokslininkai L.I.Mandelštamas ir N.D.Papaleksi 1913 metais atliko originalų eksperimentą. Ritė su viela pradėjo sukti įvairiomis kryptimis. Jie suks jį pagal laikrodžio rodyklę, tada staigiai sustos ir tada atgal. Jie samprotavo maždaug taip: jei elektronai tikrai turi masę, tada, kai ritė staiga sustoja, elektronai kurį laiką turėtų judėti inercija. Taip ir atsitiko. Prie laido galų prijungėme telefoną ir išgirdome garsą, o tai reiškė, kad juo teka srovė.

Mandelstamas Leonidas Isaakovičius

Nikolajus Dmitrijevičius Papaleksi (1880-1947)

T. STEWART IR R. TOLMAN PATIRTIS

Mandelštamo ir Papaleksi patirtį 1916 metais pakartojo amerikiečių mokslininkai Tolmanas ir Stewartas.

Ritė su daugybe plonos vielos vijų buvo greitai sukama aplink savo ašį. Ritės galai lanksčiais laidais buvo sujungti su jautriu balistiniu galvanometru. Neišsukta ritė smarkiai sulėtėjo, o grandinėje dėl krūvininkų inercijos atsirado trumpalaikė srovė. Bendras krūvis, tekantis per grandinę, buvo matuojamas galvanometro adatos nuokrypiu.

Butleris Stiuartas Thomas

Richardas Chase'as Tolmanas

KLASIKINĖ ELEKTRONIKOS TEORIJA

Prielaida, kad elektronai yra atsakingi už elektros srovę metaluose, egzistavo dar prieš Stewarto ir Tolmano eksperimentą. 1900 metais vokiečių mokslininkas P. Drude, remdamasis hipoteze apie laisvųjų elektronų egzistavimą metaluose, sukūrė savo elektroninę metalo laidumo teoriją, pavadintą klasikinė elektronų teorija . Pagal šią teoriją elektronai metaluose elgiasi kaip elektronų dujos, panašiai kaip idealios dujos. Jis užpildo erdvę tarp jonų, sudarančių metalinę kristalinę gardelę

Paveikslėlyje parodyta vieno iš laisvųjų elektronų trajektorija metalo kristalinėje gardelėje

PAGRINDINĖS TEORIJOS NUOSTATOS:

Didelis elektronų skaičius metaluose prisideda prie gero laidumo.
Išorinio elektrinio lauko įtakoje tvarkingas judėjimas uždedamas atsitiktiniam elektronų judėjimui, t.y. kyla srovė.
Elektros srovės, einančios per metalinį laidininką, stipris yra lygus:
Kadangi skirtingų medžiagų vidinė struktūra yra skirtinga, skirsis ir atsparumas.
Didėjant chaotiškam medžiagos dalelių judėjimui, kūnas įkaista, t.y. šilumos išsiskyrimas. Čia laikomasi Džaulio-Lenco dėsnio:

l = e * n * S * Ū d

METALŲ IR LYDINIŲ SUPERLAIDUMAS

Kai kurie metalai ir lydiniai turi superlaidumą, kurio elektrinė varža yra visiškai nulinė, kai jie pasiekia žemesnę nei tam tikrą vertę (kritinę temperatūrą).

Superlaidumo fenomeną 1911 metais atrado olandų fizikas H. Kamerlingas - Ohnessas gyvsidabriui (T cr = 4,2 o K).

ELEKTROS SROVĖS TAIKYMO SRITIS:

gauti stiprų magnetinį lauką
elektros energijos perdavimas iš šaltinio vartotojui
galingi elektromagnetai su superlaidžiomis apvijomis generatoriuose, elektros varikliuose ir greitintuvuose, šildymo įrenginiuose

Šiuo metu energetikos sektoriuje yra didelė problema, susijusi su dideliais nuostoliais perduodant elektrą laidais.

Galimas problemos sprendimas:

Papildomų elektros linijų tiesimas - didesnio skerspjūvio laidų keitimas - įtampos didinimas - fazių padalijimas

ELEKTROS SROVĖ METALUOSE

2 skaidrė

Elektroninės laidumo teorijos pagrindai XX amžiaus pradžioje buvo sukurta klasikinė elektroninė metalų laidumo teorija (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), kuri pateikė paprastą ir vaizdinį daugumos metalų elektrinės ir šiluminės savybės. Paul Drude Karl Ludwig – vokiečių fizikas Hendrikas Antonas Lorenzas – olandų fizikas

3 skaidrė

Elektronų judėjimas paklūsta klasikinės mechanikos dėsniams. Elektronai vienas su kitu nesąveikauja. Elektronai sąveikauja tik su kristalinės gardelės jonais, ši sąveika sumažinama iki susidūrimo. Intervalais tarp susidūrimų elektronai juda laisvai. Laidumo elektronai sudaro „elektronines dujas“, panašias į idealias dujas. „Elektroninės dujos“ paklūsta idealių dujų dėsniams. Bet kokio susidūrimo metu elektronas perduoda visą sukauptą energiją. Klasikinė elektroninė Drude teorija – Lorentzas.

4 skaidrė

Elektros srovė metaluose Metalinės kristalinės gardelės jonai nedalyvauja kuriant srovę. Jų judėjimas praeinant srovei reikštų medžiagos pernešimą išilgai laidininko, kurio nepastebima. Pavyzdžiui, E. Riecke (1901) eksperimentuose laidininko masė ir cheminė sudėtis nepasikeitė srovei tekant metus.

5 skaidrė

Išvada: Nėra medžiagos perdavimo => 1) Metalo jonai nedalyvauja perkeliant elektros krūvį. 2)Krūvio nešikliai – tai dalelės, kurios yra visų metalų dalis.Riecke eksperimentas 1901 m.

6 skaidrė: Elektronai sąveikauja ne vienas su kitu, o su kristalinės gardelės jonais. Su kiekvienu susidūrimu elektronas perduoda savo kinetinę energiją

7 skaidrė

Eksperimentinį įrodymą, kad srovę metaluose sukuria laisvieji elektronai, eksperimentais pateikė L.I. Mandelštamas ir N.D.Papaleksi (1913, rezultatai neskelbti), taip pat T.Stiuartas ir R.Tolmanas (1916). Jie atrado, kad staiga sustojus greitai besisukančiai ritei, ritės laidininke atsiranda elektros srovė, kurią sukuria neigiamą krūvį turinčios dalelės – elektronai.

8 skaidrė

Mandelštamo ir Papaleksi eksperimentas Išvada: elektros krūvininkai juda pagal inerciją 1913 m.

9 skaidrė

Tolmano ir Stewarto patirtis. Išvados: metalo krūvininkai yra neigiamo krūvio dalelės. Santykis = > Elektros srovė metaluose atsiranda dėl elektronų judėjimo 1916 m

10 skaidrė: Jonai patiria šiluminę vibraciją šalia pusiausvyros padėties – kristalinės gardelės mazgų. Laisvieji elektronai juda chaotiškai ir judėdami susiduria su kristalinės gardelės jonais

11 skaidrė

Metalinį laidininką sudaro: teigiamai įkrauti jonai, svyruojantys aplink pusiausvyros padėtį, ir 2) laisvieji elektronai, galintys judėti per visą laidininko tūrį. Metale, nesant elektrinio lauko, laidumo elektronai chaotiškai juda ir susiduria, dažniausiai su kristalinės gardelės jonais. Šių elektronų rinkinys gali būti apytiksliai laikomas tam tikromis elektronų dujomis, kurioms taikomi idealių dujų dėsniai. Vidutinis elektronų šiluminio judėjimo greitis kambario temperatūroje yra maždaug 105 m/s.

12 skaidrė

Laidininko varžos R priklausomybė nuo temperatūros: Kaitinant, laidininko matmenys kinta nedaug, tačiau daugiausia keičiasi savitoji varža. Laidininko savitoji varža priklauso nuo temperatūros: kur rho – varža esant 0 laipsnių, t – temperatūra, – atsparumo temperatūrinis koeficientas (t.y. santykinis laidininko varžos pokytis, kai jis įkaista vienu laipsniu)

13 skaidrė

Visiems metaliniams laidininkams α > 0 ir šiek tiek skiriasi priklausomai nuo temperatūros. Daugumos metalų temperatūrų intervale nuo 0° iki 100°C koeficientas α svyruoja nuo 3,3⋅10–3 iki 6,2⋅10–3 K–1 (1 lentelė). Chemiškai gryniems metalams yra specialūs lydiniai, kurių atsparumas kaitinant praktiškai nekinta, pavyzdžiui, manganinas ir konstantanas. Jų temperatūros atsparumo koeficientai yra labai maži ir lygūs atitinkamai 1⋅10–5 K–1 ir 5⋅10–5 K–1.

14 skaidrė

Taigi metaliniams laidininkams, kylant temperatūrai, didėja savitoji varža, didėja laidininko varža ir mažėja elektros srovė grandinėje. Laidininko varža keičiantis temperatūrai gali būti apskaičiuojama pagal formulę: R = Ro (1 + t) čia Ro yra laidininko varža 0 laipsnių Celsijaus temperatūroje t - laidininko temperatūra - atsparumo temperatūros koeficientas

15 skaidrė: laidininko varža

Atsparumas yra fizikinis dydis, apibūdinantis laidininko pasipriešinimo kryptingam krūvių judėjimui laipsnį. Savitoji varža – tai vienetinio ilgio ir vienetinio skerspjūvio ploto cilindrinio laidininko varža. Superlaidumas yra fizikinis reiškinys, susidedantis iš staigios varžos sumažėjimo iki nulio esant tam tikrai kritinei temperatūrai (Tcr) - savitoji varža, - laidininko ilgis, S - skerspjūvio plotas = (1 + ∆ T) - varža esant t = 20 0 C ; - temperatūros atsparumo koeficientas = 1/ 273 0 K -1 ∆ T – temperatūros pokytis T, K 0 metalo superlaidininkas T cr 293

16 skaidrė

Superlaidumas yra daugelio laidininkų savybė, susidedanti iš to, kad jų elektrinė varža staiga nukrenta iki nulio, kai jie atšaldomi žemiau tam tikros kritinės temperatūros Tk, būdingos tam tikrai medžiagai. S. yra daugiau nei 25 metalo elementuose, daugelyje lydinių ir intermetalinių junginių, taip pat kai kuriuose puslaidininkiuose.

17 skaidrė

1911 m. olandų fizikas Kamerlinghas Onnesas išsiaiškino, kad gyvsidabrį aušinant skystame heliu, jo varža pirmiausia keičiasi palaipsniui, o tada 4,2 K temperatūroje smarkiai nukrenta iki nulio.

18 skaidrė

G. Kamerlinghas Onnesas 1913 m. buvo apdovanotas Nobelio fizikos premija „už medžiagos savybių žemoje temperatūroje tyrimus“. Vėliau buvo nustatyta, kad daugiau nei 25 cheminiai elementai – metalai – labai žemoje temperatūroje tampa superlaidininkais. Kiekvienas iš jų turi savo kritinę temperatūrą perėjimui į būseną su nuliniu pasipriešinimu. Mažiausia jo reikšmė yra volframui – 0,012 K, didžiausia niobui – 9 K. Superlaidumas stebimas ne tik grynuose metaluose, bet ir daugelyje cheminių junginių bei lydinių. Be to, patys elementai, sudarantys superlaidų junginį, negali būti superlaidininkai. Pavyzdžiui, NiBi, Au2Bi, PdTe, PtSb ir kt. Iki 1986 m. superlaidininkai turėjo šią savybę esant labai žemai temperatūrai – žemesnėms nei –259 °C. 1986–1987 m. buvo atrastos medžiagos, kurių pereinamoji temperatūra į superlaidžią būseną buvo apie –173 °C. Šis reiškinys vadinamas aukštos temperatūros superlaidumu, o jo stebėjimui vietoj skysto helio gali būti naudojamas skystas azotas.

19 skaidrė: Superlaidumas

Akademikas V.L. Ginzburgas, Nobelio premijos laureatas už darbą superlaidumo srityje

20 skaidrė: Metalų ir lydinių superlaidumas

Daugeliui metalų ir lydinių, kurių temperatūra artima T = 0 K, pastebimas staigus savitosios varžos sumažėjimas – šis reiškinys vadinamas metalų superlaidumu. Jį gyvsidabriui (T cr = 4,2 o K) 1911 metais atrado olandų fizikas H. Kamerlingas - Ohnessas. T P 0

21 skaidrė: Bendra informacija

Maždaug pusė metalų ir keli šimtai lydinių turi superlaidumo savybę. Superlaidumo savybės priklauso nuo kristalų struktūros tipo. Jį pakeitus, medžiaga gali virsti iš normalios į superlaidžią būseną. Elementų, pereinančių į superlaidumo būseną, izotopų kritinės temperatūros yra susietos su izotopų masėmis ryšiu: T e (M e) 1/2 = const (izotopų efektas) Stiprus magnetinis laukas naikina superlaidumo efektą. Todėl patekus į magnetinį lauką superlaidumo savybė gali išnykti.

22 skaidrė: Reakcija į priemaišas

Priemaišos įvedimas į superlaidininką sumažina perėjimo į superlaidžią būseną staigumą. Įprastuose metaluose srovė išnyksta maždaug po 10 -12 s. Superlaidininke srovė gali cirkuliuoti metus (teoriškai 105 metus!).

23 skaidrė: fizinė superlaidumo prigimtis

Superlaidumo fenomeną galima suprasti ir pateisinti tik pasitelkus kvantines sąvokas.Jas 1957 metais pristatė amerikiečių mokslininkai J. Bardinas, L. Cooperis, J. Schriefferis ir sovietų akademikas N. N. Bogolyubovas. 1986 m. buvo atrastas lantano, bario ir kitų elementų junginių superlaidumas aukštoje temperatūroje (T = 100 0 K – skysto azoto virimo temperatūra).

24 skaidrė

Tačiau nulinė varža nėra vienintelis skiriamasis superlaidumo bruožas. Taip pat iš Drude teorijos žinoma, kad mažėjant temperatūrai metalų laidumas didėja, tai yra, elektrinė varža linkusi į nulį.

Stumdamas nuo nejudančio superlaidininko, magnetas pats plūduriuoja aukštyn ir toliau sklando tol, kol išorinės sąlygos pašalina superlaidininką iš superlaidumo fazės. Dėl šio efekto prie superlaidininko artėjantis magnetas „pamatys“ lygiai tokio pat dydžio atvirkštinio poliškumo magnetą, kuris sukelia levitaciją.

27 skaidrė: Superlaidumo taikymas

1. Sukonstruoti galingi elektromagnetai su superlaidžiomis apvijomis, kurie ilgą laiką nevartodami elektros sukuria magnetinį lauką, nes neišsiskiria šiluma. 2. Superlaidieji magnetai naudojami dalelių greitintuvuose, magnetohidrodinaminiuose ir generatoriuose, kurie magnetiniame lauke judančio karštų jonizuotų dujų srauto energiją paverčia elektros energija. 3. Aukštos temperatūros superlaidumas artimiausioje ateityje sukels techninę revoliuciją radijo elektronikoje ir radijo inžinerijoje. 4. Jeigu bus įmanoma sukurti superlaidininkus kambario temperatūroje, tai generatoriai ir elektros varikliai taps itin kompaktiški ir bus galima be nuostolių perduoti elektrą dideliais atstumais.