Лекция №17

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕМЫ

«ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ»

(10 класс)

1. Структура и логика построения темы.

2. Методика изучения электропроводности металлов.

3. Методика изучения электропроводности электролитов.

4. Методика изучения электропроводности газов.

5. Методика изучения электропроводности полупроводников.

1. Структура и логика построения темы

На изучение темы отводится 7 часов. Лабораторный эксперимент по данной теме не предусмотрен. Предполагается выполнение 1 контрольной работы по теме «Постоянный электрический ток. Электрический ток в различных средах». Перед выполнением контрольной работы запланировано проведение урока обобщения и систематизации знаний.

Состав знаний и умений по теме:

Явления: сверхпроводимость, электрический разряд, ионизация, самостоятельный и несамостоятельный разряды, электролиз.

Понятия и величины: электрический ток в газах, температурный коэффициент сопротивления, электрический ток жидкостях, электрохимический эквивалент, химический эквивалент, постоянная Фарадея, электрический ток полупроводниках, собственная и примесная проводимость полупроводников, электронно-дырочный переход.

Опыты: Рикке, Мандельштама и Папалекси, Толмена и Стюарта.

Модели тел: электронный газ.

Теории (элементы теории): классическая электронная теория, зонная теория твердых тел.

Законы: электролиза Фарадея.

Приборы, машины, механизмы (практическое применение физики): полупроводниковые диоды.

Практические умения: решать качественные, графические задачи на проводимость различных сред, расчетные задачи с использованием законов электролиза Фарадея.

Структурно-логическая схема изучаемого материала

Рассмотрение проводимости различных сред возможно по единой методической модели:

• выяснение природы носителей заряда, особенностей их движения;

• введение вольт-амперных характеристик;

• объяснение закономерностей, которым подчиняется ток в данной среде;

• описание явлений, сопровождающих прохождение тока в данной среде;

• показ практического применения тока в данной среде, устройства и принципа действия различных приборов.

2. Методика изучения электропроводности металлов

При рассмотрении электрического тока в различных средах изучают основные положения и экспериментальные основы классической электронной теории.

При знакомстве школьников с классической электронной теорией следует осветить следующие моменты:

• когда и зачем создана теория;

• основные положения и модельные представления теории;

• опытное обоснование теории;

• применение классической электронной теории (какие явления и факты объясняются данной теорией?);

• трудности классической электронной теории и причины их возникновения;

• значение классической электронной теории.

Содержание электронной теории составляет объяснение различных свойств вещества существованием и движением в нем электронов. Классическая электронная теория исходит из следующих положений:

• движение электронов подчиняется законам классической механики;

• электроны друг с другом не взаимодействуют;

• электроны взаимодействуют только с ионами кристаллической решетки, взаимодействие это сводится только к соударениям;

• в промежутках между соударениями электроны движутся совершенно свободно;

• электроны проводимости образуют электронный газ, подобный идеальному газу; идеальный газ подчиняется закону равномерного распределения энергии по степеням свободы, этому же закону подчиняется и электронный газ.

Опытным обоснованием теории являются опыты Рикке (через составной проводник (медь-алюминий-медь) в течение года пропускали ток, но следов переноса вещества не наблюдалось; значит, в металлах перенос заряда осуществляется частицами, входящими в состав всех металлов), эксперименты Л. Мандельштама и Н. Папалекси, а также Стюарта и Толмена (при резкой остановке быстро вращающейся катушки в проводнике катушки возникает электрический ток, создаваемый отрицательно заряженными частицами – электронами).

Явления и факты, объясняемые данной теорией

Классическая электронная теория хорошо объясняет существование сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля-Ленца, позволяет выразить удельную проводимость через атомарные постоянные металла, качественно объясняет зависимость проводимости от температуры и позволяет понять связь тепло- и электропроводности металлов.

Электроны проводимости в металле в отсутствие электрического поля хаотически движутся и сталкиваются, в основном, не между собой, а с ионами кристаллической решётки металла. Совокупность этих электронов можно приближенно рассматривать как некий газ, подчиняющийся законам идеального газа. Средняя скорость теплового движения электронов при Т = 273 К составляет 105 м/с.

Электрический ток в металлах возникает под действием внешнего электрического поля. На электроны проводимости, находящиеся в этом поле, действует электрическая сила, сообщающая электронам ускорение, направленное в сторону, противоположную вектору напряженности поля.

В результате электроны приобретают некоторую добавочную скорость (а значит, и добавочную кинетическую энергию). Иными словами, на хаотическое тепловое движение электронов накладывается их упорядоченное движение. Добавочная скорость электрона возрастает до тех пор, пока он не столкнется с атомом кристаллической решетки металла. При таких столкновениях электроны теряют свою избыточную кинетическую энергию, передавая ее ионам. После столкновения с ионами электроны разлетаются бес­порядочно, так что скорость их направленного движения, в среднем, обращается в нуль. Затем электроны снова разгоняются электрическим полем, снова тормозятся ионами и т.д.

Г рафик зависимости скорости движения электрона от времени имеет следующий вид:

Таким образом, максимальная, а значит, и средняя скорость направленного движения электронов оказываются ограниченными и равными по порядку величины 10^-5 м/с.

Малые значения скорости дрейфа электронов не противоречат опытному факту практически одновременного возникновения электрического тока даже в длинной электрической цепи. Дело в том, что возникновение тока в проводнике обусловлено действием на электроны проводимости электрического поля. Скорость же распространения этого поля вдоль проводника равна скорости света (в вакууме – 3 10⁸м/с) и на много порядков превосходит скорость дрейфа электронов.

В связи с этим до вывода закона Ома из классической электронной теории необходимо выявить различия в понятиях: «скорость распространения электрического тока», «скорость упорядоченного движения электронов», «скорость теплового движения».

Классическая электронная теория проводимости металлов дала простое и наглядное качественное объяснение большинства электрических и тепловых свойств металлов. В частности, сопротивление металлов в рамках этой теории объясняется столкновениями электронов проводимости с ионами кристаллической решетки. При этом, очевидно, чем чаще происходят такие столкновения, т. е. чем меньше среднее время свободного пробега электрона между столкновениями τ, тем больше удельное сопротивление металла. В свою очередь, время τ зависит от расстояния между ионами решетки, амплитуды их колебаний, характера взаимодействия электронов с ионами и скорости теплового движения электронов. С ростом температуры металла амплитуда колебаний ионов и скорость теплового движения электронов увеличиваются. Возрастает и число дефектов кристаллической решётки. Всё это приводит к тому, что при увеличении температуры металла столкновения электронов с ионами будут происходить чаще, т.е. время τ уменьшается, а удельное сопротивление металла увеличивается.

Кроме этого, классическая электронная теория позволяет понять причину нагревания металлов при прохождении электрического тока (такое нагревание обусловлено увеличением энергии движения ионов кристаллической решетки за счет передаваемой им при столкновениях избыточной кинетической энергии электронов проводимости), а также теоретически обосновать формулу Джоуля-Ленца для количества выделяемой при этом теплоты.

Трудности классической электронной теории и причины их возникновения

В некоторых случаях классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом. Так, теория предсказывает, что удельное сопротивление металлов , а согласно экспериментальным данным . По классической электронной теории электронный газ должен иметь удельную теплоемкость , поэтому удельная теплоемкость металлов должна быть больше, чем у диэлектриков. Этот вывод теории так же противоречит опытным фактам, согласно которым удельная теплоемкость металлов мало отличается от удельной теплоемкости диэлектриков. Правильное объяснение этих фактов возможно только на основе квантовой теории электропроводности металлов. Явление сверхпроводимости невозможно объяснить в рамках классической физики, оно является сугубо квантовым эффектом.

Трудности классической электронной теории связаны с тем, что:

а) электроны проводимости не подчиняются законам статистики Максвелла-Больцмана;

б) не учитывается взаимодействие электронов друг с другом;

в) не учитывается, что электроны движутся в периодическом поле кристаллической решетки;

г) движение электронов описывается не законами классической механики, а законами квантовой механики.

Значение классической электронной теории

Классическую электронную теорию применяют и сейчас, так как она проста и наглядна, а при малых концентрациях носителей заряда и больших температурах квантовая и классическая теории дают близкие результаты