Hem › Kyl › Allmän fysik. Elektrisk ström i metaller

Allmän fysik. Elektrisk ström i metaller

Klass: 11

Presentation för lektionen

Tillbaka framåt

Uppmärksamhet! Förhandsvisningen av bilden är endast i informationssyfte och representerar kanske inte hela presentationen. Om du är intresserad av detta arbete, ladda ner den fullständiga versionen.

Lektionens mål:

För att avslöja konceptet om den fysiska naturen hos den elektriska strömmen i metaller, experimentell bekräftelse av den elektroniska teorin;

Fortsätt bildandet av naturvetenskapliga idéer om ämnet som studeras

Skapa förutsättningar för bildande av kognitivt intresse, elevaktivitet

Utbildning av färdigheter;

Bildande av kommunikativ kommunikation.

Utrustning: interaktivt komplex SMART Board Notebook, lokalt nätverk av datorer, Internet.

Lektionens undervisningsmetod: kombinerad.

Epigrafi av lektionen:

Sträva efter att förstå vetenskapen allt djupare,
Längtar efter kunskapen om det eviga.
Endast den första kunskapen kommer att lysa på ditt ljus,
Du kommer att veta: det finns ingen gräns för kunskap.

Ferdowsi
(Persisk och tadzjikisk poet, 940-1030)

Lektionsplanering.

I. Organiseringsögonblick

II. Grupparbete

III. Diskussion av resultatet, installation av presentationen

IV. Reflexion

V. Läxor

Under lektionerna

Hej grabbar! Sitt ner. Idag kommer vi att arbeta i grupp.

Uppgifter för grupper:

I. Fysisk karaktär av laddningar i metaller.

II. K. Rikkes erfarenhet.

III. Erfarenhet av Stuart, Tolman. Erfarenhet av Mandelstam, Papaleksi.

IV. Drud teori.

V. Volt-ampere karakteristisk för metaller. Ohms lag.

VI. Ledarnas motstånds beroende av temperatur.

VII. Superledningsförmåga.

1. Elektrisk ledningsförmåga är ämnens förmåga att leda en elektrisk ström under påverkan av ett yttre elektriskt fält.

Enligt den fysiska naturen hos laddningar - bärare av elektrisk ström är elektrisk ledningsförmåga indelad i:

A) elektronisk

B) jonisk

B) blandat.

2. För varje ämne under givna förhållanden är ett visst beroende av strömstyrkan på potentialskillnaden karakteristiskt.

Beroende på resistiviteten hos ett ämne är det vanligt att dela upp det i:

A) ledare (s< 10 -2 Ом*м)

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

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

En sådan uppdelning är dock villkorad, eftersom under påverkan av ett antal faktorer (uppvärmning, bestrålning, föroreningar) ändras resistiviteten hos ämnen och deras volt-ampere-egenskaper, och ibland mycket signifikant.

3. Bärare av fria laddningar i metaller är elektroner. Bevisat av klassiska experiment K. Rikke (1901) - tysk fysiker; L.I. Mandelstam och N. D. Papaleksi (1913) - våra landsmän; T. Stewart och R. Tolman (1916) - amerikanska fysiker.

K. Rikkes erfarenhet

Rikke vek tre förvägda cylindrar (två koppar och en aluminium) med polerade ändar så att den aluminium låg mellan koppar. Sedan kopplades cylindrarna till en likströmskrets: en stor ström gick genom dem under året. Under den tiden passerade en elektrisk laddning motsvarande cirka 3,5 miljoner C genom de elektriska cylindrarna. Cylindrarnas sekundära interaktion, utförd med upp till 0,03 mg, visade att cylindrarnas massa inte förändrades som ett resultat av experimentet. När man undersökte kontaktändarna under ett mikroskop fann man att det endast finns mindre spår av penetration av metaller, som inte överstiger resultaten av vanlig diffusion av atomer i fasta ämnen. Resultaten av experimentet visade att joner inte deltar i laddningsöverföring i metaller.

L.I. Mandelstam

N. . Papalexi

Erfarenhet av L. I. Mandelstam och N. D. Papaleksi

De ryska vetenskapsmännen L. I. Mandelstam (1879-1949; grundare av skolan för radiofysiker) och N. D. Papaleksi (1880-1947; den största sovjetiska fysikern, akademikern, ordförande för All-Union Scientific Council for Radio Physics and Radio Engineering under Academy of Sciences of the USSR) 1913 levererade den ursprungliga erfarenheten. De tog en spole av tråd och började vrida den åt olika håll.

Koppla av, till exempel medurs, stanna sedan plötsligt och - tillbaka.

De resonerade ungefär så här: om elektroner verkligen har massa, då när spolen plötsligt stannar, borde elektronerna fortsätta att röra sig genom tröghet under en tid. Elektronernas rörelse genom en tråd är en elektrisk ström. Som planerat, så blev det. Vi kopplade en telefon till ändarna av tråden och hörde ett ljud. När ett ljud hörs i telefonen flyter därför ström genom den.

T. Stewart

Upplevelsen av T. Stewart och R. Tolman

Låt oss ta en spole som kan rotera runt sin axel. Spolens ändar är anslutna till galvanometern med hjälp av glidkontakter. Om spolen, som är i snabb rotation, bromsas kraftigt, kommer de fria elektronerna i tråden att fortsätta att röra sig med tröghet, vilket resulterar i att galvanometern måste registrera en strömpuls.

Drud teori

Elektroner i en metall betraktas som en elektrongas, på vilken den kinetiska teorin om gaser kan tillämpas. Man tror att elektroner, som gasatomer i kinetisk teori, är identiska solida sfärer som rör sig i raka linjer tills de kolliderar med varandra. Det antas att varaktigheten av en enstaka kollision är försumbar, och att inga andra krafter verkar mellan molekylerna, förutom de som uppstår vid kollisionsögonblicket. Eftersom en elektron är en negativt laddad partikel, måste det för att uppfylla villkoret för elektrisk neutralitet i ett fast ämne också finnas partiklar av ett annat slag - positivt laddade. Drude föreslog att den kompenserande positiva laddningen tillhör mycket tyngre partiklar (joner), som han ansåg vara orörliga. Vid Drudes tid var det inte klart varför det finns fria elektroner och positivt laddade joner i metallen, och vilka dessa joner är. Endast kvantteorin om fasta ämnen kunde ge svar på dessa frågor. För många ämnen kan man dock helt enkelt anta att elektrongasen består av externa valenselektroner som är svagt bundna till kärnan, vilka "frigörs" i metallen och kan röra sig fritt genom metallen, medan atomkärnor med elektroner av inre skal (atomkärnor) förblir oförändrade och spelar rollen som fixerade positiva joner i Drude-teorin.

Elektrisk ström i metaller

Alla metaller är ledare av elektrisk ström och består av ett rumsligt kristallgitter, vars noder sammanfaller med centra för positiva joner, och fria elektroner rör sig slumpmässigt runt jonerna.

Grunderna i den elektroniska teorin om metallers ledningsförmåga.

En metall kan beskrivas med följande modell: jonernas kristallgitter är nedsänkt i en idealisk elektrongas bestående av fria elektroner. I de flesta metaller är varje atom joniserad, så koncentrationen av fria elektroner är ungefär lika med koncentrationen av atomer 10 23 - 10 29 m -3 och beror nästan inte på temperaturen.
Fria elektroner i metaller är i kontinuerlig kaotisk rörelse.
En elektrisk ström i en metall bildas endast på grund av den ordnade rörelsen av fria elektroner.
Elektroner som kolliderar med joner som vibrerar vid noderna i kristallgittret ger dem överskottsenergi. Det är därför ledarna värms upp när ström flyter.

Elektrisk ström i metaller.

Superledning

Fenomenet att reducera resistiviteten till noll vid en annan temperatur än absolut noll kallas supraledning. Material som uppvisar förmågan att passera vid vissa andra temperaturer än absolut noll till ett supraledande tillstånd kallas supraledare.

Strömpassagen i en supraledare sker utan energiförlust, därför kan en elektrisk ström, när den väl har exciterats i en supraledande ring, existera oändligt utan förändring.

Supraledande material används redan i elektromagneter. Forskning pågår för att skapa supraledande kraftledningar.

Tillämpningen av fenomenet supraledning i bred praktik kan bli verklighet under de kommande åren på grund av upptäckten 1986 av keramernas supraledning - föreningar av lantan, barium, koppar och syre. Superledningsförmågan hos sådana keramer bibehålls upp till temperaturer på cirka 100 K.

Bra jobbat pojkar! De gjorde ett utmärkt jobb. Det blev en bra presentation. Tack för lektionen!

Litteratur.

Gorbushin Sh.A. Referensnoteringar för fysikstudier för gymnasiets kurs. - Izhevsk "Udmurtia", 1992.
Lanina I.Ya. Bildande av kognitiva intressen hos elever i fysiklektionerna: En bok för lärare. – M.: Upplysning, 1985.
Fysik lektion i modern skola. Kreativt sökande för lärare: En bok för lärare / Komp. E.M. Braverman / Redigerad av V.G. Razumovsky.- M.: Upplysning, 1993
Digelev F.M. Från fysikens historia och dess skapares liv: En bok för studenter. - M .: Education, 1986.
Kartsev V.L. Äventyr av stora ekvationer - 3:e upplagan - M .: Knowledge, 1986. (Life of wonderful ideas).

Lektionsämne Elektrisk ström i metaller.

En lektion i att lära sig nya saker med inslag av kontroll och upprepning.

Utrustning: presentation, installation för experimentet om förändring i motstånd beroende på temperatur.

Mål och syfte. 1. Att bilda kunskap om grunderna i den elektroniska teorin om metallers ledningsförmåga, experimentellt underbyggande och tillämpning av teorin i praktiken.

2. Vidga elevernas vyer med en berättelse om fenomenet supraledning.

3. Lär dig tillämpa kunskap om motståndets beroende av temperatur vid problemlösning.

4. Att höja patriotiska känslor genom att bekanta sig med historien om upptäckter inom fast tillståndets fysik.

Lektionsplanering. (genom bilder)

1.Idag på lektionen.

2. Låt oss upprepa. Frågor ställs vars kunskap krävs när man lär sig nya saker.

3. Studien av det nya: a) olika ämnens elektriska ledningsförmåga, b) laddningsbärarnas natur i metaller; c) teorin om metallers elektriska ledningsförmåga; d) motståndets beroende av temperatur; e) motståndstermometrar; f) supraledning och dess tillämpningar.

4. Kontrolltest. (Kontrollera efter musklick).

5. Fixering. Tre problem föreslås för motståndets beroende av temperatur. Svar visas efter ett musklick. Eleverna tar de nödvändiga konstanta parametrarna från tabellerna.

Visa dokumentinnehåll
"Presentation för lektionen "Elektrisk ström i metaller", årskurs 10."

Elektrisk ström i metaller

Savvateeva Svetlana Nikolaevna, lärare i fysik, MBOU "Kemetskaya gymnasieskola" i Bologovsky-distriktet i Tver-regionen.

IDAG PÅ LEKTIONEN

Hemligheten blir tydlig. Vad döljer sig bakom konceptet "Strömbärare i metaller"?

Vilka är svårigheterna med den klassiska teorin om elektrisk ledningsförmåga hos metaller?

Varför brinner glödlampor ut?

Varför brinner de ut när de slås på?

Hur tappar man motstånd?

UPPREPA

Vad är elektrisk ström?
Vilka är förutsättningarna för att det finns en ström?
Vilka handlingar av strömmen känner du till?
Vilken är strömriktningen?
Vad är värdet på strömmen i en elektrisk krets?
Vad är enheten för ström?
På vilka kvantiteter beror strömstyrkan?
Vad är hastigheten för strömutbredning i ledaren?
Vad är hastigheten för den ordnade rörelsen av elektroner?
Beror motståndet på ström och spänning?
Hur är Ohms lag formulerad för en del av en kedja och för en hel kedja?

LADNINGSBARA I METALL

Rikkes erfarenhet (tyska) - 1901 år! M = const, dessa är inte joner!

Mandelstam och Papaleksi (1913)

Stewart och Tolman (1916)

I strömriktningen -

Förbi І J I - q ⁄ m = e ⁄ m) är elektroner!

Elektrisk ström i metaller är den riktade rörelsen av elektroner.

Teori om metallers elektriska ledningsförmåga

P. Druse, 1900:

fria elektroner - "elektronisk gas";
elektroner rör sig enligt Newtons lagar;
fria elektroner kolliderar med kristalljoner. galler;
vid kollision överför elektroner sin kinetiska energi till joner;
medelhastigheten är proportionell mot intensiteten och därmed potentialskillnaden;

R=f( ρ, l, s, t)

motståndstermometrar

Fördelar: Hjälper till att mäta mycket låga och mycket höga temperaturer.

supraledning

Kvicksilver i flytande helium

Förklaringen är baserad på kvantteori.

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

N. Bogolyubov (medstudent 1957)

Och:

erhållande av höga strömmar, magnetiska fält;
överföring av el utan förlust.

kontrolltest

Hur rör sig fria elektroner i metaller?

A. I en strikt definierad ordning. B. Slumpmässigt. B. Ordning.

Hur rör sig fria elektroner i metaller under inverkan av ett elektriskt fält?

A. Oordning. B. Ordning. B. Ordnad i riktning mot det elektriska fältet. G. Ordnat i riktning motsatt det elektriska fältet.

. Vilka partiklar finns vid noderna i metallgittrets kristallgitter och vilken laddning har de?

A. Negativa joner. B. Elektroner. B. Positiva joner.

Vilken effekt av elektrisk ström används i elektriska lampor?

A. Magnetisk. B. Termisk. B. Kemisk. G. Ljus och termisk.

Vilka partiklars rörelse tas som riktningen för strömmen i ledaren?

A.Elektronov. B. Negativa joner. B. Positiva laddningar.

Varför blir metaller varma när ström passerar genom dem?

A. Fria elektroner kolliderar med varandra. B. Fria elektroner kolliderar med joner. B. Joner kolliderar med joner.

Hur förändras metallernas motstånd när de kyls?

A. Ökar. B. Minskar. B. Ändras inte.

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

LÖSA PROBLEMET

1. Elektriskt motstånd hos en volframglödtråd i en elektrisk lampa vid en temperatur av 23 °C är lika med 4 ohm.

Hitta det elektriska motståndet för glödtråden vid 0°C.

(Svar: 3,6 ohm)

2. Det elektriska motståndet för en volframfilament vid 0°C är 3,6 ohm. Hitta elektriskt motstånd

Vid en temperatur av 2700 K.

(Svar: 45,5 ohm)

3. Trådens elektriska motstånd vid 20°C är 25 ohm, vid 60°C är det 20 ohm. Hitta

Temperaturkoefficient för elektriskt motstånd.

(Svar: 0,0045 K¯¹)

Elektrisk ström i metaller Savvateeva Svetlana Nikolaevna, lärare i fysik, MBOU "Kemetskaya gymnasieskola" i Bologovsky-distriktet i Tver-regionen. IDAG PÅ LEKTIONEN Hemligheten blir tydlig. Vad döljer sig bakom konceptet "Strömbärare i metaller"? Vilka är svårigheterna med den klassiska teorin om elektrisk ledningsförmåga hos metaller? Varför brinner glödlampor ut? Varför brinner de ut när de slås på? Hur tappar man motstånd? UPPREPA

Vad är elektrisk ström?
Vilka är förutsättningarna för att det finns en ström?
Vilka handlingar av strömmen känner du till?
Vilken är strömriktningen?
Vad är värdet på strömmen i en elektrisk krets?
Vad är enheten för ström?
På vilka kvantiteter beror strömstyrkan?
Vad är hastigheten för strömutbredning i ledaren?
Vad är hastigheten för den ordnade rörelsen av elektroner?
Beror motståndet på ström och spänning?
Hur är Ohms lag formulerad för en del av en kedja och för en hel kedja?

ELEKTRISK LEDNINGSFÖRHET FÖR OLIKA ÄMNEN

Mandelstam och Papaleksi (1913)

Stewart och Tolman (1916)

I strömriktningen -< 0

Med І J I - q ⁄ m = e ⁄ m ) är dessa elektroner!

Rikkes erfarenhet (tyska) - 1901 år! M = const, dessa är inte joner!

LADNINGSBARA I METALL

Elektrisk ström i metaller är den riktade rörelsen av elektroner.

Teori om metallers elektriska ledningsförmåga

P. Druse, 1900:

fria elektroner - "elektronisk gas";
elektroner rör sig enligt Newtons lagar;
fria elektroner kolliderar med kristalljoner. galler;
vid kollision överför elektroner sin kinetiska energi till joner;
medelhastigheten är proportionell mot intensiteten och därmed potentialskillnaden;

R= f (ρ, l, s, t)

motståndstermometrar

Fördelar: Hjälper till att mäta mycket låga och mycket höga temperaturer.

supraledning Kvicksilver i flytande helium

Förklaringen är baserad på kvantteori.

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

N. Bogolyubov (medstudent 1957)

Tillämpning av supraledning!

erhållande av höga strömmar, magnetiska fält;
överföring av el utan förlust.

kontrolltest

Hur rör sig fria elektroner i metaller?
Hur rör sig fria elektroner i metaller under inverkan av ett elektriskt fält?
.Vilka partiklar finns vid noderna i metallernas kristallgitter och vilken laddning har de?
Vilken effekt av elektrisk ström används i elektriska lampor?
Vilka partiklars rörelse tas som riktningen för strömmen i ledaren?
Varför blir metaller varma när ström passerar genom dem?
Hur förändras metallernas motstånd när de kyls?

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

LÖSA PROBLEMET

1. Det elektriska motståndet för volframglödtråden i en elektrisk lampa vid en temperatur på 23 ° C är 4 ohm.

Hitta det elektriska motståndet för glödtråden vid 0°C.

(Svar: 3,6 ohm)

2. Det elektriska motståndet för en volframfilament vid 0°C är 3,6 ohm. Hitta elektriskt motstånd

Vid en temperatur av 2700 K.

(Svar: 45,5 ohm)

3. Trådens elektriska motstånd vid 20°C är 25 ohm, vid 60°C är det 20 ohm. Hitta

Temperaturkoefficient för elektriskt motstånd.

VAD ÄR ELEKTRISK STRÖM I METALLER?

Elektrisk ström i metaller - det är den ordnade rörelsen av elektroner under inverkan av ett elektriskt fält. Experiment visar att när ström flyter genom en metallledare sker ingen överföring av materia, därför deltar inte metalljoner i överföringen av elektrisk laddning.

ELEKTRISK STRÖMS ART I METALLER

Elektrisk ström i metallledare orsakar inga förändringar i dessa ledare, förutom deras uppvärmning.

Koncentrationen av ledningselektroner i en metall är mycket hög: i storleksordning är den lika med antalet atomer per volymenhet av metallen. Elektroner i metaller är i konstant rörelse. Deras slumpmässiga rörelse liknar rörelsen hos ideala gasmolekyler. Detta gav anledning att tro att elektroner i metaller bildar ett slags elektrongas. Men hastigheten för den slumpmässiga rörelsen av elektroner i en metall är mycket större än hastigheten för molekyler i en gas.

E.RIKKE ERFARENHET

Den tyske fysikern Carl Rikke genomförde ett experiment där en elektrisk ström passerade under ett år genom tre polerade cylindrar pressade mot varandra - koppar, aluminium och återigen koppar. Efter slutförandet fann man att det bara finns mindre spår av ömsesidig penetration av metaller, som inte överstiger resultaten av vanlig diffusion av atomer i fasta ämnen. Mätningar utförda med en hög grad av noggrannhet visade att massan på var och en av cylindrarna förblev oförändrad. Eftersom massorna av koppar- och aluminiumatomer skiljer sig väsentligt från varandra, skulle cylindrarnas massa behöva förändras märkbart om laddningsbärarna var joner. Därför är fria laddningsbärare i metaller inte joner. Den enorma laddningen som passerade genom cylindrarna bars tydligen av partiklar som är lika i både koppar och aluminium. Det är naturligt att anta att det är fria elektroner som utför strömmen i metaller.

Carl Victor Eduard Rikke

UPPLEV L.I. MANDELSHTAMA och N.D. PAPALEKSI

De ryska forskarna L. I. Mandelstam och N. D. Papaleksi arrangerade 1913 ett originalexperiment. Spolen med tråden började vrida sig åt olika håll. Varva ner, medurs, stanna sedan plötsligt och - tillbaka. De resonerade ungefär så här: om elektroner verkligen har massa, då när spolen plötsligt stannar, borde elektronerna fortsätta att röra sig genom tröghet under en tid. Och så blev det. Vi kopplade en telefon till ändarna av tråden och hörde ett ljud, vilket innebar att det gick ström genom den.

Mandelstam Leonid Isaakovich

Nikolai Dmitrievich Papalexi (1880-1947)

ERFARENHETEN AV T. STUART OCH R. TOLMAN

Mandelstams och Papaleksis erfarenhet upprepades 1916 av de amerikanska forskarna Tolman och Stuart.

En spole med ett stort antal varv av tunn tråd fördes till snabb rotation runt sin axel. Spolens ändar kopplades med flexibla trådar till en känslig ballistisk galvanometer. Den otvinnade spolen bromsades kraftigt, en kortvarig ström uppstod i kretsen på grund av laddningsbärarnas tröghet. Den totala laddningen som flödade genom kretsen mättes genom avböjningen av galvanometernålen.

Butler Stuart Thomas

Richard Chase Tolman

KLASSISK ELEKTRONISK TEORI

Antagandet att elektroner är ansvariga för den elektriska strömmen i metaller fanns redan före experimentet av Stewart och Tolman. År 1900 skapade den tyske vetenskapsmannen P. Drude, baserat på hypotesen om förekomsten av fria elektroner i metaller, sin elektroniska teori om metallers ledningsförmåga, uppkallad efter klassisk elektronisk teori . Enligt denna teori beter sig elektroner i metaller som en elektrongas, ungefär som en idealgas. Det fyller utrymmet mellan jonerna som bildar metallens kristallgitter

Figuren visar banan för en av de fria elektronerna i en metalls kristallgitter

HUVUDSAKLIGA BESTÄMMELSER I TEORIN:

Närvaron av ett stort antal elektroner i metaller bidrar till deras goda ledningsförmåga.
Under inverkan av ett yttre elektriskt fält överlagras en ordnad rörelse på elektronernas slumpmässiga rörelse, d.v.s. ström uppstår.
Styrkan hos den elektriska ström som flyter genom en metallledare är:
Eftersom den inre strukturen hos olika ämnen är olika blir också motståndet olika.
Med en ökning av den kaotiska rörelsen av partiklar av ett ämne värms kroppen upp, d.v.s. värmeavgivning. Här iakttas Joule-Lenz-lagen:

l \u003d e * n * S * Ū d

SUPERLEDNING AV METALLER OCH LEGERINGAR

Vissa metaller och legeringar har supraledning, egenskapen att ha strikt noll elektriskt motstånd när de når en temperatur under ett visst värde (kritisk temperatur).

Fenomenet supraledning upptäcktes av den holländska fysikern H. Kamerling - Ohness 1911 i kvicksilver (T cr = 4,2 o K).

ELEKTRISK AKTUELL APPLIKATION:

tar emot starka magnetfält
överföring av el från källa till konsument
kraftfulla elektromagneter med supraledande lindning i generatorer, elmotorer och acceleratorer, i värmeanordningar

För närvarande finns det ett stort problem inom energisektorn som är förknippat med stora förluster vid överföring av el genom ledningar.

Möjlig lösning på problemet:

Byggande av ytterligare transmissionsledningar - utbyte av ledningar med stora tvärsnitt - spänningsökning - fasdelning

ELEKTRISK STRÖM I METALLER

glida 2

Grunderna i den elektroniska teorin om konduktivitet I början av 1900-talet skapades den klassiska elektroniska teorin om metallers konduktivitet (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), vilket gav en enkel och visuell förklaring av de flesta av metallers elektriska och termiska egenskaper. Paul Drude Karl Ludwig - tysk fysiker Hendrik Anton Lorenz - holländsk fysiker

glida 3

Elektronernas rörelse följer den klassiska mekanikens lagar. Elektroner interagerar inte med varandra. Elektroner interagerar endast med joner i kristallgittret, denna interaktion reduceras till en kollision. I intervallen mellan kollisioner rör sig elektronerna fritt. Ledningselektronerna bildar en "elektrongas", som en idealgas. "Elektronisk gas" lyder lagarna för en idealgas. Vid en kollision överför elektronen all ackumulerad energi. Klassisk elektronisk teori Drude - Lorentz.

glida 4

Elektrisk ström i metaller Jonerna i metallens kristallgitter deltar inte i skapandet av strömmen. Deras rörelse under strömpassage skulle innebära överföring av materia längs ledaren, vilket inte observeras. Till exempel, i experimenten av E. Rikke (1901), ändrades inte ledarens massa och kemiska sammansättning under strömpassagen under året.

glida 5

Slutsats: Det finns ingen överföring av materia \u003d\u003e 1) Metalljoner deltar inte i överföringen av elektrisk laddning. 2) Laddningsbärare - partiklar som utgör alla metaller Erfarenhet av Rikke 1901

Bild 6: Elektroner interagerar inte med varandra, utan med joner i kristallgittret. Vid varje kollision överför elektronen sin kinetiska energi

Bild 7

Experimentella bevis på att strömmen i metaller skapas av fria elektroner gavs i experimenten av L.I. Mandelstam och N. D. Papaleksi (1913, resultaten publicerades inte), samt T. Stewart och R. Tolman (1916). De fann att när en snabbt roterande spole stoppar abrupt, uppstår en elektrisk ström i spolens ledare, skapad av negativt laddade partiklar - elektroner.

Bild 8

Erfarenhet av Mandelstam och Papaleksi Slutsats: Elektriska laddningsbärare rör sig med tröghet 1913

Bild 9

Tolmans och Stewarts erfarenhet Slutsatser: Laddningsbärare i metall är negativt laddade partiklar. Relation = > Elektrisk ström i metaller beror på elektronernas rörelse 1916

Bild 10: Joner gör termiska vibrationer, nära jämviktspositionen - noderna i kristallgittret. Fria elektroner rör sig slumpmässigt och kolliderar med jonerna i kristallgittret under deras rörelse.

glida 11

En metallisk ledare består av: positivt laddade joner som oscillerar runt jämviktspositionen, och 2) fria elektroner som kan röra sig genom hela ledarens volym. I en metall, i frånvaro av ett elektriskt fält, rör sig ledningselektroner slumpmässigt och kolliderar, oftast med joner i kristallgittret. Helheten av dessa elektroner kan ungefär betraktas som en sorts elektrongas som lyder lagarna för en ideal gas. Medelhastigheten för termisk rörelse av elektroner vid rumstemperatur är cirka 105 m/s.

glida 12

Ledarmotståndets R beroende av temperatur: Vid uppvärmning ändras ledarmåtten lite, men främst ändras resistiviteten. Ledarens specifika motstånd beror på temperaturen: där rho är det specifika motståndet vid 0 grader, t är temperaturen, är motståndets temperaturkoefficient (dvs. den relativa förändringen i ledarens resistivitet när den värms upp med en grad)

glida 13

För alla metalliska ledare, α > 0 och ändras något med temperaturen. För de flesta metaller i temperaturområdet från 0 ° till 100 °C varierar koefficienten α från 3,3⋅10–3 till 6,2⋅10–3 K–1 (tabell 1). I kemiskt rena metaller finns speciella legeringar, vars motstånd praktiskt taget inte förändras vid upphettning, till exempel manganin och konstantan. Deras temperaturkoefficienter för motstånd är mycket låga och lika med 1⋅10–5 K–1 respektive 5⋅10–5 K–1.

Bild 14

Således, för metallledare, med ökande temperatur, ökar resistiviteten, ledarens resistans ökar och den elektriska strömmen i kretsen minskar. Motståndet hos en ledare med en temperaturförändring kan beräknas med formeln: R = Ro (1 + t) där Ro är ledarens resistans vid 0 grader Celsius t är ledarens temperatur - motståndets temperaturkoefficient

Bild 15: Ledarmotstånd

Motstånd är en fysisk storhet som kännetecknar graden av motstånd hos en ledare mot den riktade rörelsen av laddningar. Resistivitet är resistansen hos en cylindrisk ledare av enhetslängd och enhetstvärsnittsarea. Supraledning är ett fysiskt fenomen som består i ett abrupt fall i motståndet till noll vid en viss kritisk temperatur (T cr) - resistivitet, - ledarens längd, S - tvärsnittsarea \u003d (1 + ∆ T) - resistivitet vid t \u003d 20 0 С; - temperaturkoefficient för motstånd = 1/273 0 K -1 ∆ T - temperaturförändring T, K 0 metall supraledare T cr 293

glida 16

Superledning, en egenskap hos många ledare, som består i det faktum att deras elektriska motstånd plötsligt sjunker till noll när de kyls under en viss kritisk temperatur Tk, karakteristisk för ett givet material. C. finns i mer än 25 metalliska grundämnen, i ett stort antal legeringar och intermetalliska föreningar, och även i vissa halvledare.

Bild 17

År 1911 upptäckte den holländska fysikern Kamerling-Onnes att när kvicksilver kyls i flytande helium ändras dess motstånd först gradvis och sedan vid en temperatur på 4,2 K sjunker kraftigt till noll.

Bild 18

G. Kamerlingh-Onnes tilldelades Nobelpriset i fysik 1913 "för studier av materiens egenskaper vid låga temperaturer." Senare fann man att mer än 25 kemiska grundämnen - metaller vid mycket låga temperaturer blir supraledare. Var och en av dem har sin egen kritiska övergångstemperatur till ett tillstånd med noll motstånd. Dess lägsta värde för volfram är 0,012 K, det högsta för niob är 9 K. Superledningsförmåga observeras inte bara i rena metaller, utan också i många kemiska föreningar och legeringar. I det här fallet kanske inte själva elementen, som är en del av den supraledande föreningen, vara supraledare. Till exempel NiBi, Au2Bi, PdTe, PtSb och andra. Fram till 1986 var supraledare kända för att ha denna egenskap vid mycket låga temperaturer, under –259°C. 1986-1987 upptäcktes material med en övergångstemperatur till supraledande tillstånd på cirka -173 °C. Detta fenomen kallas högtemperatursupraledning, och flytande kväve kan användas istället för flytande helium för att observera det.

Bild 19: Superledning

Akademikern V.L. Ginzburg, Nobelpristagare för sitt arbete med supraledning

Bild 20: Superledningsförmåga hos metaller och legeringar

För många metaller och legeringar vid temperaturer nära T = 0 K observeras en kraftig minskning av resistiviteten - detta fenomen kallas metallers supraledning. Det upptäcktes av den holländska fysikern H. Kamerling - Ohness 1911 i kvicksilver (T cr = 4,2 o K). T P 0

bild 21: allmän information

Ungefär hälften av metallerna och flera hundra legeringar har egenskapen supraledning. Supraledande egenskaper beror på typen av kristallstruktur. Att ändra det kan överföra materia från det vanliga till det supraledande tillståndet. De kritiska temperaturerna för isotoperna hos element som går över i det supraledande tillståndet är relaterade till isotopernas massor genom förhållandet: T e (M e) 1/2 = const (isotopeffekt) Ett starkt magnetfält förstör effekten av supraledning. Därför, när den placeras i ett magnetfält, kan egenskapen supraledning försvinna.

Bild 22: Reaktion på föroreningar

Införandet av en förorening i en supraledare minskar skärpan i övergången till det supraledande tillståndet. I normala metaller försvinner strömmen efter ca 10 -12 s. I en supraledare kan ström cirkulera i åratal (teoretiskt 105 år!).

Bild 23: Den fysiska naturen hos supraledning

Fenomenet supraledning kan förstås och underbyggas endast med hjälp av kvantbegrepp.De presenterades 1957 av de amerikanska vetenskapsmännen J. Bardin, L. Cooper, J. Schrieffer och den sovjetiska akademikern N.N. Bogolyubov. 1986 upptäcktes supraledning vid hög temperatur av föreningar av lantan, barium och andra grundämnen (T = 100 0 K är kokpunkten för flytande kväve).

glida 24

Noll motstånd är dock inte det enda kännetecknet för supraledning. Det är också känt från Drude-teorin att ledningsförmågan hos metaller ökar med sjunkande temperatur, det vill säga att det elektriska motståndet tenderar till noll.

Med utgångspunkt från den orörliga supraledaren flyter magneten själv och fortsätter att sväva tills yttre förhållanden tar supraledaren ur den supraledande fasen. Som ett resultat av denna effekt kommer en magnet som närmar sig en supraledare att "se" en omvänd polaritetsmagnet av exakt samma storlek, vilket orsakar levitation.

Bild 27: Tillämpning av supraledning

1. Det byggs kraftfulla elektromagneter med supraledande lindning, som skapar ett magnetfält utan att förbruka elektricitet under lång tid, p.g.a. ingen värmeavgivning sker. 2. Supraledande magneter används i elementarpartikelacceleratorer, magnetohydrodynamiska och generatorer som omvandlar energin från en stråle av het joniserad gas som rör sig i ett magnetfält till elektrisk energi. 3. Högtemperatursupraledning kommer inom en snar framtid att leda till en teknisk revolution inom radioelektronik och radioteknik. 4. Om det är möjligt att skapa supraledare i rumstemperatur kommer generatorer och elmotorer att bli extremt kompakta och det kommer att vara möjligt att överföra elektricitet över långa avstånd utan förlust.