фізика / 2 семестр 1 атестація К9 / тема 8 Ел струм різні серд / заняття 35

Тема 5. Електричний струм в різних середовищах.

Заняття 35

Електронна провідність металів

Мета: розширити уявлення учнів про електричну теорію провідності металів; розширити поняття «сила струму» на основі електронних уявлень, пояснити с точки зору електронної теорії залежність питомого опору від температури; дати визначення надпровідності.

1. Електронна провідність в металах.

2. Класична електронна теорія електропровідності металів.

3. Залежність опору металевих провідників від температури.

4. Надпровідність.

Електронна провідність в металах

Електричний струм в металах – впорядкований рух електронів між іонами кристалічної ґратки. Це твердження має ряд експериментальний підтверджень.

Дослід Рікке. В 1901 р. провів німецький вчений. Три попередньо зважених циліндра щільно пришліфував та включив в коло постійного струму. Через них протягом року проходив великий струм. За цей час через циліндри пройшов заряд 3,5 млн Кл. В результаті досліду маса циліндрів не змінилася, а дослідження торців циліндрів не виявило слідів взаємного проникнення металів.

Висновок: в переносі електричного заряду в металах іони не приймають участь.

Дослід Мандельштама та Папалексі. Дротяна котушка L, кінці якої були з’єднані з телефонною трубкою Т, виконувала швидкі обертаючі коливання навколо своєї осі. При цьому у ланцюзі з'являвся змінний струм, що викликав звук в телефонній трубці. При різкому гальмуванні носії струму рухалися по інерції, та на одному кінці дроту утворювався їх надлишок, а на іншому – недолік, що призводило до різності потенціалів.

Висновок: носії заряду в металах володіють інертністю (тобто масою).

Дослід Стюарта та Толмена. Котушка з великим числом витків тонкого дроту (загальна довжина 500 м) приводилася в швидке обертання навколо своєї осі (лінійні швидкість досягала 300 м/с). Кінці котушки через ковзаючи контакти з’єднані з чуттєвим гальванометром. Після розкручування котушку різко гальмували. При цьому в ланцюгу виникав короткочасний струм, напрям якого відповідав напряму інерційного руху електрона. За результатами дослід була визначена маса електрону.

Висновок: носіями струму в металах можуть бути лише електрони.

Класична електронна теорія електропровідності металів

Німецький фізик П.Друде в 1900 р. створив електронну теорію, основними з положень якої:

1. Вільні електрони в металі поводяться як молекули ідеального газу; «електронний» газ підкоряється законам ідеального газу.

2. Рух вільних електронів в металі підкоряється законам класичної механіки Ньютона, тобто електрони рухаються під дією сил і зіткнення пружні.

3. Вільні електрони в процесі їх хаотичного руху зіштовхуються не між собою, а з іонами кристалічної ґратки.

4. При зіткненні електронів з іонами електрони передають іонам свою кінетичну енергію повністю.

Електрон під дією зовнішніх сил джерела струму набуває швидкість та збільшує свою кінетичну енергію, яку віддає при зіткненні з іонами ґратки, і швидкість знову дорівнює нулю. Оскільки між зіткненнями короткий проміжок часу, швидкість можна усереднити.

,

де І – сила струму, n – концентрація електрона, e – заряд електрона, S – поперечний перетин провідника.

Залежність опору металевих провідників від температури.

З точки зору електронної теорії Друде електричний опір металів зумовлено зіткненнями вільних електронів з іонами кристалічної ґратки.

З підвищенням температури опір металевих провідників збільшується, тому що чим вище температура, тим інтенсивніші коливання іонів кристалічної ґратки і тим частіше електрони зіткаються з ними. Залежність опору від температури експериментально виведена:

,

де R₀ – опір провідника при 0⁰С (273 К);

R – опір при температурі Т;

∆Т – різність температур (Т-0⁰С);

- температурний коефіцієнт опору, табличне значення.

Залежність опору металів від температури використовується при будові термометрів опору. Термометричним тілом є дріт з чистого металу (платина, мідь, нікель, індій) або силава (наприклад, нікелю з залізом), намотана на жорсткий ізольований каркас (кварц, кераміка). Термометр опору вмикається в електричне коло, одним з елементів якого є гальванометр, що градуйований в градусах.

В 1911 р. голландський фізик Г. Камерлінг-Оннес виявив, що при поступовому охолоджені опір ртуті зменшується по лінійному закону тільки до температури 4,15 К, а потім… зникає. Це явище отримало назву надпровідності.

Температура, при якій ряд речовин переходить в зверх провідний стан називається критичною. Для різних матеріалів (кераміку, полімери включно) критична температура різна.

Явище надпровідності знайшло широке застосування в ЕОМ, радіотехніці, генераторах електричного струму и т.д.

Електронна теорія провідності металів не змогла пояснити явище надпровідності. Це пояснення було отримано з позиції квантової фізики.

Питання для закріплення матеріалу

1. З чого складається дослід Рікке? Який результат було отримано? Який висновок можна зробити за результатами досліду Рікке?

2. З чого складається дослід Мандельштама та Папалексі? Який результат було отримано? Який висновок можна зробити за результатами досліду Мандельштама та Папалексі?

3. З чого складається дослід Стюарта та Толмена? Який результат було отримано? Який висновок можна зробити за результатами дослід Стюарта та Толмена?

4. Основні положення класичної електронної теорії провідності металів?

5. Як змінюється швидкість електронів при русі в електричному полі з провідниками?

6. Чим зумовлений опір металів з точки зору електронної теорії провідності?

7. Залежність опору металевих провідників від температури?

8. Чому з підвищенням температури опір провідників збільшується?

9. Явище надпровідності?

10. Як пояснює класична електронна теорія провідності явище надпровідності?

11. Що відбувається на межі контакту двох провідників з різного матеріалу?

12. Що таке ВАХ? ВАХ для металу?

Вправа 35

1. В телевізорах напруга між анодом та катодом електронно-променевої трубки дорівнює 10 кВ, а сила струму в анодному ланцюгу 300 мкА. Визначити енергію електронів та потужність електронного пучка.

2. По даним попередньої задачі визначити середню кількість електронів, що досягають екран в продовж 1 с.

3. Довгий дріт, на кінцях якого підтримується постійна напруга, розжарився до червоності. Частину дроту опустили в холодну воду. Чому частина дроту, що залишилася над водою, нагрівається сильніше?