hjem › Avkjøling › Generell fysikk. Elektrisk strøm i metaller

Generell fysikk. Elektrisk strøm i metaller

Klasse: 11

Presentasjon for leksjonen

Tilbake fremover

Merk følgende! Lysbildeforhåndsvisninger er kun til informasjonsformål og representerer kanskje ikke alle funksjonene i presentasjonen. Hvis du er interessert i dette arbeidet, last ned fullversjonen.

Leksjonens mål:

Utvide konseptet om den fysiske naturen til elektrisk strøm i metaller, eksperimentell bekreftelse av den elektroniske teorien;

Fortsett dannelsen av naturvitenskapelige ideer om emnet som studeres

Skape betingelser for dannelse av kognitiv interesse og aktivitet hos elever

Dannelse av ferdigheter;

Dannelse av kommunikativ kommunikasjon.

Utstyr: SMART Board Notebook interaktivt kompleks, lokalt datanettverk, Internett.

Leksjonsundervisningsmetode: kombinert.

Leksjonsepigraf:

Prøv å forstå vitenskapen mer og dypere,
Tørst etter kunnskapen om det evige.
Bare den første kunnskapen vil skinne over deg,
Du vil finne ut: det er ingen grense for kunnskap.

Ferdowsi
(Persisk og tadsjikisk poet, 940-1030)

Timeplan.

I. Organisatorisk øyeblikk

II. Gruppearbeid

III. Diskusjon av resultater, installasjon av presentasjon

IV. Speilbilde

V. Lekser

I løpet av timene

Hei folkens! Sitt ned. I dag vil vårt arbeid foregå i grupper.

Gruppeoppgaver:

I. Fysisk natur av ladninger i metaller.

II. Erfaring fra K.Rikke.

III. Erfaring fra Stewart, Tolman. Mandelstams erfaring, Papaleksi.

IV. Drudes teori.

V. Strømspenningsegenskaper for metaller. Ohms lov.

VI. Avhengighet av ledermotstand på temperatur.

VII. Superledningsevne.

1. Elektrisk ledningsevne er stoffers evne til å lede elektrisk strøm under påvirkning av et eksternt elektrisk felt.

I henhold til den fysiske naturen til ladninger - bærere av elektrisk strøm, er elektrisk ledningsevne delt inn i:

A) elektronisk

B) ionisk,

B) blandet.

2. Hvert stoff under gitte forhold er preget av en viss avhengighet av strømstyrken på potensialforskjellen.

Basert på spesifikk resistens er stoffer vanligvis delt inn i:

A) ledere (s< 10 -2 Ом*м)

B) dielektriske (p > 10 -8 Ohm*m)

B) halvledere (10 -2 Ohm*m> p>10 -8 Ohm*m)

Imidlertid er denne inndelingen betinget, siden under påvirkning av en rekke faktorer (oppvarming, bestråling, urenheter), endres resistiviteten til stoffer og deres strømspenningsegenskaper, og noen ganger svært betydelig.

3. Bærerne av frie ladninger i metaller er elektroner. Bevist av klassiske eksperimenter K. Riecke (1901) – tysk fysiker; L.I. Mandelstam og N.D. Papaleksi (1913) - våre landsmenn; T. Stewart og R. Tolman (1916) - amerikanske fysikere.

Erfaring fra K. Rikke

Rikke stablet tre forhåndsveide sylindre (to kobber og en aluminium) med polerte ender slik at den ene av aluminium var mellom kobberne. Sylindrene ble deretter koblet til en likestrømskrets: en stor strøm gikk gjennom dem i et år. I løpet av den tiden gikk en elektrisk ladning lik omtrent 3,5 millioner C gjennom de elektriske sylindrene. Sylindernes sekundære interaksjon, utført med opptil 0,03 mg, viste at massen til sylindrene ikke endret seg som følge av forsøket. Ved undersøkelse av kontaktendene under et mikroskop, ble det funnet at det bare var mindre spor av metallpenetrering, som ikke oversteg resultatene av den vanlige diffusjonen av atomer i faste stoffer. De eksperimentelle resultatene indikerte at ioner ikke deltar i ladningsoverføring i metaller.

L.I. Mandelstam

N. . Papalexi

Opplevelsen til L. I. Mandelstam og N. D. Papaleksi

Russiske vitenskapsmenn L. I. Mandelstam (1879-1949; grunnlegger av skolen for radiofysikere) og N. D. Papaleksi (1880-1947; den største sovjetiske fysikeren, akademikeren, formann for All-Union Scientific Council on Radiophysics and Radio Engineering ved USSR Academy of Sciences ) i 1913 iscenesatte den originale opplevelsen. De tok en trådspiral og begynte å vri den i forskjellige retninger.

De vil snurre, for eksempel med klokken, for så å stoppe brått og deretter tilbake.

De resonnerte noe sånt som dette: hvis elektroner virkelig har masse, så når spolen plutselig stopper, bør elektronene fortsette å bevege seg ved treghet i en stund. Bevegelsen av elektroner langs en ledning er en elektrisk strøm. Det ble som vi planla. Vi koblet en telefon til endene av ledningen og hørte en lyd. Siden lyd høres i telefonen, flyter derfor strøm gjennom den.

T. Stewart

Erfaring fra T. Stewart og R. Tolman

La oss ta en spole som kan rotere rundt sin akse. Endene av spolen er koblet til et galvanometer ved hjelp av glidekontakter. Hvis spolen, som er i rask rotasjon, bremses kraftig, vil de frie elektronene i ledningen fortsette å bevege seg av treghet, som et resultat av at galvanometeret skal registrere en strømpuls.

Slitsom teori

Elektroner i et metall betraktes som en elektrongass, som den kinetiske teorien om gasser kan brukes på. Det antas at elektroner, som gassatomer i den kinetiske teorien, er identiske solide kuler som beveger seg i rette linjer til de kolliderer med hverandre. Det antas at varigheten av en individuell kollisjon er ubetydelig, og at ingen andre krefter enn de som oppstår i kollisjonsøyeblikket virker mellom molekylene. Siden et elektron er en negativt ladet partikkel, for å overholde betingelsen om elektrisk nøytralitet, må et fast stoff også inneholde partikler av en annen type - positivt ladet. Drude antydet at den kompenserende positive ladningen tilhørte mye tyngre partikler (ioner), som han anså som immobile. På Drudes tid var det ikke klart hvorfor det fantes frie elektroner og positivt ladede ioner i et metall, og hva disse ionene var. Bare kvanteteorien om faste stoffer kunne gi svar på disse spørsmålene. For mange stoffer kan vi imidlertid ganske enkelt anta at elektrongassen består av ytre valenselektroner som er svakt bundet til kjernen, som "frigjøres" i metallet og kan bevege seg fritt gjennom metallet, mens atomkjernene med elektronene av de indre skallene (atomkjerner) forblir uendret og spiller rollen som immobile positive ioner i Drude-teorien.

Elektrisk strøm i metaller

Alle metaller er ledere av elektrisk strøm og består av et romlig krystallgitter, hvis noder faller sammen med sentrene til positive ioner, og frie elektroner beveger seg kaotisk rundt ionene.

Grunnleggende prinsipper for den elektroniske teorien om ledningsevne av metaller.

Et metall kan beskrives med følgende modell: et krystallgitter av ioner er nedsenket i en ideell elektrongass bestående av frie elektroner. I de fleste metaller er hvert atom ionisert, så konsentrasjonen av frie elektroner er omtrent lik konsentrasjonen av atomer 10 23 - 10 29 m -3 og er nesten uavhengig av temperatur.
Frie elektroner i metaller er i kontinuerlig kaotisk bevegelse.
Elektrisk strøm i et metall dannes kun på grunn av den ordnede bevegelsen av frie elektroner.
Elektroner som kolliderer med ioner som oscillerer ved nodene til krystallgitteret, gir dem overflødig energi. Dette er grunnen til at ledere varmes opp når strømmen går.

Elektrisk strøm i metaller.

Superledningsevne

Fenomenet med resistivitet som synker til null ved en annen temperatur enn absolutt null kalles superledning. Materialer som viser evnen til å gå over til en superledende tilstand ved visse andre temperaturer enn absolutt null kalles superledere.

Passasjen av strøm i en superleder skjer uten tap av energi, derfor kan den elektriske strømmen eksistere på ubestemt tid uten endring når den først er eksitert i en superledende ring.

Superledende materialer brukes allerede i elektromagneter. Det pågår forskning rettet mot å lage superledende kraftledninger.

Anvendelsen av fenomenet superledning i utbredt praksis kan bli en realitet i de kommende årene takket være oppdagelsen i 1986 av superledningsevnen til keramikk - forbindelser av lantan, barium, kobber og oksygen. Superledningsevnen til slik keramikk vedvarer opp til temperaturer på rundt 100 K.

Godt gjort gutter! De gjorde en utmerket jobb. Det var en god presentasjon. Takk for leksjonen!

Litteratur.

Gorbushin Sh.A. Grunnleggende notater for å studere fysikk for et ungdomsskolekurs. – Izhevsk “Udmurtia”, 1992.
Lanina I.Ya. Dannelse av kognitive interesser til elever i fysikktimer: En bok for lærere. – M.: Utdanning, 1985.
Fysikktime på en moderne skole. Kreativt søk for lærere: En bok for lærere / Comp. E.M. Braverman / Redigert av V.G. Razumovsky.- M.: Utdanning, 1993
Digelev F.M. Fra fysikkens historie og livet til dens skapere: En bok for studenter. - M.: Education, 1986.
Kartsev V.L. Adventures of great equations.- 3. utgave - M.: Znanie, 1986. (Life of wonderful ideas).

Leksjonsemne: Elektrisk strøm i metaller.

En leksjon i å lære nye ting med elementer av kontroll og repetisjon.

Utstyr: presentasjon, installasjon for et eksperiment med å endre motstand avhengig av temperatur.

Mål og målsettinger. 1. Å utvikle kunnskap om det grunnleggende i den elektroniske teorien om ledningsevne av metaller, eksperimentell underbyggelse og anvendelse av teorien i praksis.

2. Utvid elevenes horisont med en historie om fenomenet superledning.

3. Lære å anvende kunnskap om motstandens avhengighet av temperatur i problemløsning.

4. Å fremme patriotiske følelser gjennom å bli kjent med historien til oppdagelser innen faststoff-fysikk.

Timeplan. (ved lysbilder)

1. I dag i timen.

2. La oss gjenta. Det gis spørsmål som krever kunnskap når man skal lære noe nytt.

3. Studie av nye ting: a) elektrisk ledningsevne til forskjellige stoffer, b) arten av ladningsbærere i metaller; c) teori om elektrisk ledningsevne av metaller; d) avhengighet av motstand på temperatur; e) motstandstermometre; f) superledning og dens anvendelser.

4. Kontrolltest. (Sjekk etter museklikk).

5. Konsolidering. Det er foreslått tre problemer angående motstandens avhengighet av temperatur. Svarene vises etter et museklikk. Elevene tar de nødvendige konstante parameterne fra tabellene.

Se dokumentinnholdet
"Presentasjon for leksjonen "Elektrisk strøm i metaller", klasse 10."

Elektrisk strøm i metaller

Svetlana Nikolaevna Savvateeva, fysikklærer ved Kemetskaya Secondary School, Bologovsky-distriktet, Tver-regionen.

I DAG I KLASSEN

Hemmeligheten blir klar. Hva skjuler seg bak konseptet "Nåværende bærere i metaller"?

Hva er vanskelighetene med den klassiske teorien om elektrisk ledningsevne av metaller?

Hvorfor brenner glødelamper ut?

Hvorfor brenner de ut når de er slått på?

Hvordan miste motstand?

LA OSS GJENTE

Hva er elektrisk strøm?
Hva er betingelsene for eksistensen av strøm?
Hvilke effekter av strøm kjenner du til?
Hva er retningen til strømmen?
Hvilken verdi bestemmer strømstyrken i en elektrisk krets?
Hva er enheten for strøm?
Hvilke mengder er strømmen avhengig av?
Hva er hastigheten på strømutbredelsen i en leder?
Hva er hastigheten på ordnet bevegelse av elektroner?
Er motstand avhengig av strøm og spenning?
Hvordan er Ohms lov formulert for en del av en kjede og for en komplett kjede?

LADSBÆRERS ART I METALLER

Rikkes erfaring (tysk) – 1901 år! M = const, dette er ikke ioner!

Mandelstam og Papaleksi (1913)

Stewart og Tolman (1916)

I retning av strømmen -

Av І J I - q ⁄ m = e ⁄ m ) er elektroner!

Elektrisk strøm i metaller er den rettet bevegelse av elektroner.

Teori om elektrisk ledningsevne av metaller

P. Druse, 1900:

frie elektroner - "elektrongass";
elektroner beveger seg i samsvar med Newtons lover;
frie elektroner kolliderer med krystallioner. gitter;
ved kollisjon overfører elektroner sin kinetiske energi til ionene;
gjennomsnittshastigheten er proporsjonal med spenningen og derfor potensialforskjellen;

R= f ( ρ, l, s, t)

motstandstermometre

Fordeler: Hjelper med å måle svært lave og svært høye temperaturer.

superledning

Kvikksølv i flytende helium

Forklaringen er basert på kvanteteori.

D. Bardeen, L. Cooper, D. Schrieffer (amerikansk) og

N. Bogolyubov (sovjetisk student i 1957)

Og:

oppnå høye strømmer og magnetiske felt;
overføring av elektrisitet uten tap.

Kontrolltest

Hvordan beveger frie elektroner seg i metaller?

A. I en strengt definert rekkefølge. B. Uordnet. B. Ordent.

Hvordan beveger frie elektroner seg i metaller under påvirkning av et elektrisk felt?

A. Uordnet. B. Ordent. B. Bestilt i retning av det elektriske feltet. D. Bestilt i retning motsatt av det elektriske feltet.

. Hvilke partikler er lokalisert på stedene for krystallgitteret til metaller og hvilken ladning har de?

A. Negative ioner. B. Elektroner. B. Positive ioner.

Hvilken effekt av elektrisk strøm brukes i elektriske lamper?

A. Magnetisk. B. Termisk. B. Kjemisk. G. Lys og termisk.

Bevegelsen til hvilke partikler anses å være strømretningen i en leder?

A. Elektronov. B. Negative ioner. B. Positive ladninger.

Hvorfor varmes metaller opp når strømmen går gjennom dem?

A. Frie elektroner kolliderer med hverandre. B. Frie elektroner kolliderer med ioner. B. Ioner kolliderer med ioner.

Hvordan endres motstanden til metaller når de avkjøles?

A. Øker. B. Avtar. B. Endres ikke.

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

LØSE PROBLEMER

1. Elektrisk motstand til wolframfilamentet til en elektrisk lampe ved en temperatur på 23 °C er lik 4 ohm.

Finn den elektriske motstanden til tråden ved 0°C.

(Svar: 3,6 ohm)

2. Den elektriske motstanden til et wolframfilament ved 0°C er 3,6 ohm. Finn elektrisk motstand

Ved en temperatur på 2700 K.

(Svar: 45,5 ohm)

3. Den elektriske motstanden til en ledning ved 20 °C er 25 Ohm, ved en temperatur på 60 °C er den 20 Ohm. Finne

Temperaturkoeffisient for elektrisk motstand.

(Svar: 0,0045 K¯¹)

Elektrisk strøm i metaller Svetlana Nikolaevna Savvateeva, fysikklærer ved Kemetskaya Secondary School, Bologovsky-distriktet, Tver-regionen. I DAG I KLASSEN Hemmeligheten blir klar. Hva skjuler seg bak konseptet "Nåværende bærere i metaller"? Hva er vanskelighetene med den klassiske teorien om elektrisk ledningsevne av metaller? Hvorfor brenner glødelamper ut? Hvorfor brenner de ut når de er slått på? Hvordan miste motstand? LA OSS GJENTE

Hva er elektrisk strøm?
Hva er betingelsene for eksistensen av strøm?
Hvilke effekter av strøm kjenner du til?
Hva er retningen til strømmen?
Hvilken verdi bestemmer strømstyrken i en elektrisk krets?
Hva er enheten for strøm?
Hvilke mengder er strømmen avhengig av?
Hva er hastigheten på strømutbredelsen i en leder?
Hva er hastigheten på ordnet bevegelse av elektroner?
Er motstand avhengig av strøm og spenning?
Hvordan er Ohms lov formulert for en del av en kjede og for en komplett kjede?

ELEKTRISK LEDNING AV ULIKE STOFFER

Mandelstam og Papaleksi (1913)

Stewart og Tolman (1916)

I retning av strømmen -< 0

I følge I J I - q ⁄ m = e ⁄ m ) er dette elektroner!

Rikkes erfaring (tysk) – 1901 år! M = const, dette er ikke ioner!

LADSBÆRERS ART I METALLER

Elektrisk strøm i metaller er den rettet bevegelse av elektroner.

Teori om elektrisk ledningsevne av metaller

P. Druse, 1900:

frie elektroner - "elektrongass";
elektroner beveger seg i samsvar med Newtons lover;
frie elektroner kolliderer med krystallioner. gitter;
ved kollisjon overfører elektroner sin kinetiske energi til ionene;
gjennomsnittshastigheten er proporsjonal med spenningen og derfor potensialforskjellen;

R= f (ρ, l, s, t)

motstandstermometre

Fordeler: Hjelper med å måle svært lave og svært høye temperaturer.

superledning Kvikksølv i flytende helium

Forklaringen er basert på kvanteteori.

D. Bardeen, L. Cooper, D. Schrieffer (amerikansk) og

N. Bogolyubov (sovjetisk student i 1957)

Anvendelse av superledning!

oppnå høye strømmer og magnetiske felt;
overføring av elektrisitet uten tap.

Kontrolltest

Hvordan beveger frie elektroner seg i metaller?
Hvordan beveger frie elektroner seg i metaller under påvirkning av et elektrisk felt?
.Hvilke partikler er lokalisert på stedene for krystallgitteret til metaller og hvilken ladning har de?
Hvilken effekt av elektrisk strøm brukes i elektriske lamper?
Bevegelsen til hvilke partikler anses å være strømretningen i en leder?
Hvorfor varmes metaller opp når strømmen går gjennom dem?
Hvordan endres motstanden til metaller når de avkjøles?

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

LØSE PROBLEMER

1. Den elektriske motstanden til wolframglødetråden til en elektrisk lampe ved en temperatur på 23°C er 4 Ohm.

Finn den elektriske motstanden til tråden ved 0°C.

(Svar: 3,6 ohm)

2. Den elektriske motstanden til et wolframfilament ved 0°C er 3,6 ohm. Finn elektrisk motstand

Ved en temperatur på 2700 K.

(Svar: 45,5 ohm)

3. Den elektriske motstanden til en ledning ved 20 °C er 25 Ohm, ved en temperatur på 60 °C er den 20 Ohm. Finne

Temperaturkoeffisient for elektrisk motstand.

HVA ER ELEKTRISK STRØM I METALLER?

Elektrisk strøm i metaller – Dette er den ordnede bevegelsen av elektroner under påvirkning av et elektrisk felt. Eksperimenter viser at når det går strøm gjennom en metallleder, overføres ingen substans, derfor tar ikke metallioner del i overføringen av elektrisk ladning.

ELEKTRISK STRØMS ART I METALLER

Elektrisk strøm i metallledere forårsaker ingen endringer i disse lederne, bortsett fra deres oppvarming.

Konsentrasjonen av ledningselektroner i et metall er veldig høy: i størrelsesorden er den lik antall atomer per volumenhet av metallet. Elektroner i metaller er i kontinuerlig bevegelse. Deres tilfeldige bevegelse ligner bevegelsen til ideelle gassmolekyler. Dette ga grunn til å tro at elektroner i metaller danner en slags elektrongass. Men hastigheten på tilfeldig bevegelse av elektroner i et metall er mye større enn hastigheten til molekyler i en gass.

E.RIKKES ERFARING

Den tyske fysikeren Karl Ricke gjennomførte et eksperiment der elektrisk strøm ble ført i et år gjennom tre jordsylindere presset mot hverandre - kobber, aluminium og igjen kobber. Etter fullføring ble det funnet at det bare var mindre spor av gjensidig penetrasjon av metaller, som ikke oversteg resultatene av vanlig diffusjon av atomer i faste stoffer. Målinger utført med høy grad av nøyaktighet viste at massen til hver av sylindrene forble uendret. Siden massene av kobber- og aluminiumatomer skiller seg betydelig fra hverandre, ville massen til sylindrene måtte endres merkbart dersom ladningsbærerne var ioner. Derfor er ikke gratis ladningsbærere i metaller ioner. Den enorme ladningen som gikk gjennom sylindrene ble tilsynelatende båret av partikler som er like i både kobber og aluminium. Det er naturlig å anta at strømmen i metaller utføres av frie elektroner.

Karl Victor Eduard Rikke

OPPLEV L.I. MANDELSHTAM OG N.D. PAPALEXI

Russiske forskere L.I. Mandelstam og N.D. Papaleksi utførte et originalt eksperiment i 1913. Spolen med ledningen begynte å bli vridd i forskjellige retninger. De vil snurre den med klokken, deretter stoppe den brått og deretter tilbake. De resonnerte noe sånt som dette: hvis elektroner virkelig har masse, så når spolen plutselig stopper, bør elektronene fortsette å bevege seg ved treghet i en stund. Og slik ble det. Vi koblet en telefon til endene av ledningen og hørte en lyd, som betydde at det gikk strøm gjennom den.

Mandelstam Leonid Isaakovich

Nikolay Dmitrievich Papalexi (1880-1947)

OPPLEVELSEN TIL T. STEWART OG R. TOLMAN

Erfaringen til Mandelstam og Papaleksi ble gjentatt i 1916 av amerikanske vitenskapsmenn Tolman og Stewart.

En spole med et stort antall omdreininger av tynn tråd ble brakt til rask rotasjon rundt sin akse. Endene av spolen ble koblet ved hjelp av fleksible ledninger til et følsomt ballistisk galvanometer. Den utvridde spolen ble kraftig bremset, og det oppsto en kortvarig strøm i kretsen på grunn av tregheten til ladningsbærerne. Den totale ladningen som strømmet gjennom kretsen ble målt ved avbøyningen av galvanometernålen.

Butler Stuart Thomas

Richard Chase Tolman

KLASSISK ELEKTRONISK TEORI

Antakelsen om at elektroner er ansvarlige for den elektriske strømmen i metaller eksisterte allerede før eksperimentet til Stewart og Tolman. I 1900 skapte den tyske forskeren P. Drude, basert på hypotesen om eksistensen av frie elektroner i metaller, sin elektroniske teori om metallledningsevne, oppkalt etter klassisk elektronteori . I følge denne teorien oppfører elektroner i metaller seg som en elektrongass, omtrent som en ideell gass. Det fyller rommet mellom ionene som danner metallkrystallgitteret

Figuren viser banen til et av de frie elektronene i krystallgitteret til et metall

GRUNNLEGGENDE BESTEMMELSER I TEORIEN:

Tilstedeværelsen av et stort antall elektroner i metaller bidrar til deres gode ledningsevne.
Under påvirkning av et eksternt elektrisk felt legges ordnet bevegelse over den tilfeldige bevegelsen av elektroner, dvs. strøm oppstår.
Styrken til den elektriske strømmen som går gjennom en metallleder er lik:
Siden den indre strukturen til ulike stoffer er forskjellig, vil også motstanden være forskjellig.
Med en økning i den kaotiske bevegelsen av partikler av et stoff, varmes kroppen opp, dvs. varmeavgivelse. Joule-Lenz-loven overholdes her:

l = e * n * S * Ū d

SUPERLEDNING AV METALLER OG LEGERINGER

Noen metaller og legeringer har superledning, egenskapen til å ha strengt tatt null elektrisk motstand når de når en temperatur under en viss verdi (kritisk temperatur).

Fenomenet superledning ble oppdaget av den nederlandske fysikeren H. Kamerling - Ohness i 1911 for kvikksølv (T cr = 4,2 o K).

ANVENDELSESOMRÅDE ELEKTRISK AKTUELL:

oppnå sterke magnetiske felt
overføring av elektrisitet fra kilde til forbruker
kraftige elektromagneter med superledende viklinger i generatorer, elektriske motorer og akseleratorer, i varmeapparater

For tiden er det et stort problem i energisektoren knyttet til store tap under overføring av elektrisitet gjennom ledninger.

Mulig løsning på problemet:

Bygging av ekstra kraftledninger - utskifting av ledninger med større tverrsnitt - økning i spenning - fasedeling

ELEKTRISK STRØM I METALLER

Lysbilde 2

Grunnleggende om den elektroniske teorien om ledningsevne På begynnelsen av 1900-tallet ble den klassiske elektroniske teorien om ledningsevne av metaller skapt (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), som ga en enkel og visuell forklaring av det meste av elektriske og termiske egenskaper til metaller. Paul Drude Karl Ludwig - tysk fysiker Hendrik Anton Lorenz - nederlandsk fysiker

Lysbilde 3

Bevegelsen av elektroner adlyder lovene til klassisk mekanikk. Elektroner samhandler ikke med hverandre. Elektroner samhandler bare med ioner i krystallgitteret; denne interaksjonen reduseres til kollisjon. I intervallene mellom kollisjoner beveger elektroner seg fritt. Ledningselektroner danner en "elektrongass", lik en ideell gass. "Elektronisk gass" følger lovene for ideell gass. Under enhver kollisjon overfører elektronet all akkumulert energi. Klassisk elektronisk teori om Drude - Lorentz.

Lysbilde 4

Elektrisk strøm i metaller Ioner av metallkrystallgitteret tar ikke del i dannelsen av strøm. Deres bevegelse under passering av strøm vil bety overføring av materie langs lederen, som ikke blir observert. For eksempel, i eksperimentene til E. Riecke (1901), endret ikke lederens masse og kjemiske sammensetning seg når strømmen gikk i et år.

Lysbilde 5

Konklusjon: Det er ingen overføring av materie => 1) Metallioner tar ikke del i overføringen av elektrisk ladning. 2) Ladningsbærere er partikler som er en del av alle metaller Rieckes eksperiment i 1901.

Lysbilde 6: Elektroner samhandler ikke med hverandre, men med ioner i krystallgitteret. Ved hver kollisjon overfører elektronet sin kinetiske energi

Lysbilde 7

Eksperimentelt bevis på at strømmen i metaller er skapt av frie elektroner ble gitt i eksperimenter av L.I. Mandelstam og N.D. Papaleksi (1913, resultatene ble ikke publisert), samt T. Stewart og R. Tolman (1916). De oppdaget at når en raskt roterende spole plutselig stopper opp, oppstår det en elektrisk strøm i spolelederen, skapt av negativt ladede partikler – elektroner.

Lysbilde 8

Eksperimentet til Mandelstam og Papaleksi Konklusjon: Elektriske ladningsbærere beveger seg med treghet 1913

Lysbilde 9

Erfaring fra Tolman og Stewart Konklusjoner: Ladningsbærere i et metall er negativt ladede partikler. Forhold = > Elektrisk strøm i metaller skyldes bevegelsen av elektroner 1916

Lysbilde 10: Ioner gjennomgår termiske vibrasjoner nær likevektsposisjonen - nodene til krystallgitteret. Frie elektroner beveger seg kaotisk og under deres bevegelse kolliderer med ioner i krystallgitteret

Lysbilde 11

En metallleder består av: positivt ladede ioner som oscillerer rundt likevektsposisjonen, og 2) frie elektroner som kan bevege seg gjennom hele volumet av lederen. I et metall, i fravær av et elektrisk felt, beveger ledningselektroner seg kaotisk og kolliderer, oftest med ioner i krystallgitteret. Samlingen av disse elektronene kan omtrent betraktes som en slags elektrongass, underlagt lovene til en ideell gass. Gjennomsnittshastigheten for termisk bevegelse av elektroner ved romtemperatur er omtrent 105 m/s.

Lysbilde 12

Avhengighet av ledermotstand R av temperatur: Ved oppvarming endres dimensjonene til lederen lite, men resistiviteten endres hovedsakelig. Resistiviteten til en leder avhenger av temperatur: der rho er resistiviteten ved 0 grader, t er temperaturen, er temperaturkoeffisienten for motstand (dvs. den relative endringen i lederens resistivitet når den varmes opp med én grad)

Lysbilde 13

For alle metalliske ledere α > 0 og varierer litt med temperaturen. For de fleste metaller, i temperaturområdet fra 0° til 100°C, varierer koeffisienten α fra 3,3⋅10–3 til 6,2⋅10–3 K–1 (tabell 1). For kjemisk rene metaller er det spesielle legeringer hvis motstand praktisk talt ikke endres ved oppvarming, for eksempel manganin og konstantan. Deres temperaturkoeffisienter er svært små og lik henholdsvis 1⋅10–5 K–1 og 5⋅10–5 K–1.

Lysbilde 14

For metallledere, med økende temperatur, øker resistiviteten, motstanden til lederen øker og den elektriske strømmen i kretsen avtar. Motstanden til en leder med en temperaturendring kan beregnes ved hjelp av formelen: R = Ro (1 + t) hvor Ro er motstanden til lederen ved 0 grader Celsius t - temperaturen til lederen - motstandens temperaturkoeffisient

Lysbilde 15: Ledermotstand

Motstand er en fysisk størrelse som karakteriserer graden av motstand til en leder mot retningsbestemt bevegelse av ladninger. Spesifikk motstand er motstanden til en sylindrisk leder med enhetslengde og enhetstverrsnittsareal. Superledning er et fysisk fenomen som består i et brå fall i motstand til null ved en viss kritisk temperatur (Tcr) - resistivitet, - lederlengde, S - tverrsnittsareal = (1 + ∆ T) - resistivitet ved t = 20 0 C ; - temperaturkoeffisient for motstand = 1/ 273 0 K -1 ∆ T – temperaturendring T, K 0 metallsuperleder T cr 293

lysbilde 16

Superledning er en egenskap til mange ledere, som består i det faktum at deres elektriske motstand faller brått til null når de avkjøles under en viss kritisk temperatur Tk, karakteristisk for et gitt materiale. S. finnes i mer enn 25 metallelementer, i et stort antall legeringer og intermetalliske forbindelser, samt i enkelte halvledere.

Lysbilde 17

I 1911 oppdaget den nederlandske fysikeren Kamerlingh Onnes at når kvikksølv avkjøles i flytende helium, endres motstanden først gradvis, og synker deretter kraftig til null ved en temperatur på 4,2 K.

Lysbilde 18

G. Kamerlingh Onnes ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 1913 «for sine studier av egenskapene til materie ved lave temperaturer». Senere ble det funnet at mer enn 25 kjemiske grunnstoffer - metaller - blir superledere ved svært lave temperaturer. Hver av dem har sin egen kritiske temperatur for overgang til en tilstand med null motstand. Dens laveste verdi er for wolfram - 0,012 K, den høyeste for niob - 9 K. Superledning observeres ikke bare i rene metaller, men også i mange kjemiske forbindelser og legeringer. Dessuten kan ikke selve elementene som utgjør den superledende forbindelsen være superledere. For eksempel NiBi, Au2Bi, PdTe, PtSb og andre. Fram til 1986 var superledere kjent for å ha denne egenskapen ved svært lave temperaturer - under –259 °C. I 1986-1987 ble det oppdaget materialer med en overgangstemperatur til superledende tilstand på rundt –173 °C. Dette fenomenet kalles høytemperatursuperledning, og for å observere det kan flytende nitrogen brukes i stedet for flytende helium.

Lysbilde 19: Superledning

Akademiker V.L. Ginzburg, nobelprisvinner for sitt arbeid med superledning

Lysbilde 20: Superledningsevne av metaller og legeringer

For mange metaller og legeringer ved temperaturer nær T = 0 K observeres en kraftig reduksjon i resistivitet - dette fenomenet kalles superledning av metaller. Det ble oppdaget av den nederlandske fysikeren H. Kamerling - Ohness i 1911 for kvikksølv (T cr = 4,2 o K). T P 0

Lysbilde 21: Generell informasjon

Omtrent halvparten av metallene og flere hundre legeringer har egenskapen superledning. Superledende egenskaper avhenger av typen krystallstruktur. Å endre det kan transformere et stoff fra en normal til en superledende tilstand. De kritiske temperaturene til isotoper av elementer som går over i superledende tilstand er relatert til massene til isotopene ved forholdet: T e (M e) 1/2 = const (isotopeffekt) Et sterkt magnetfelt ødelegger effekten av superledning. Derfor, når den plasseres i et magnetisk felt, kan egenskapen til superledning forsvinne.

Lysbilde 22: Reaksjon på urenheter

Innføringen av en urenhet i en superleder reduserer brå overgangen til den superledende tilstanden. I normale metaller forsvinner strømmen etter ca. 10 -12 s. I en superleder kan strømmen sirkulere i årevis (teoretisk 105 år!).

Lysbilde 23: Den fysiske naturen til superledning

Fenomenet superledning kan bare forstås og rettferdiggjøres ved hjelp av kvantebegreper.De ble presentert i 1957 av amerikanske vitenskapsmenn J. Bardin, L. Cooper, J. Schrieffer og den sovjetiske akademikeren N.N. Bogolyubov. I 1986 ble superledning ved høy temperatur av forbindelser av lantan, barium og andre grunnstoffer oppdaget (T = 100 0 K er kokepunktet for flytende nitrogen).

Lysbilde 24

Imidlertid er null motstand ikke det eneste kjennetegnet ved superledning. Det er også kjent fra Drudes teori at ledningsevnen til metaller øker med synkende temperatur, det vil si at den elektriske motstanden har en tendens til null.

Ved å skyve av fra en stasjonær superleder, flyter magneten opp av seg selv og fortsetter å sveve til ytre forhold fjerner superlederen fra den superledende fasen. Som et resultat av denne effekten vil en magnet som nærmer seg en superleder "se" en magnet med motsatt polaritet av nøyaktig samme størrelse, noe som forårsaker levitasjon.

Lysbilde 27: Anvendelser av superledning

1. Det er konstruert kraftige elektromagneter med superledende viklinger, som skaper et magnetfelt uten å forbruke strøm over lang tid, pga. ingen varme frigjøres. 2. Superledende magneter brukes i partikkelakseleratorer, magnetohydrodynamiske og generatorer som konverterer energien til en strøm av varm ionisert gass som beveger seg i et magnetfelt til elektrisk energi. 3. Høytemperatursuperledning vil i nær fremtid føre til en teknisk revolusjon innen radioelektronikk og radioteknikk. 4. Hvis det er mulig å lage superledere ved romtemperatur, vil generatorer og elektriske motorer bli ekstremt kompakte og det vil være mulig å overføre elektrisitet over lange avstander uten tap.