Металл носители заряда способы получения

Металл носители заряда способы получения

Электрическая проводимость ( электропроводность) — — это физическая величина , обратная сопротивлению, характеризует свойство вещества проводить электрический ток.
R — сопротивление
1/ R — электрическая проводимость

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ

Носители свободных зарядов в металлах — свободные электроны, которые упорядоченно перемещаются вдоль проводника под действием эл.поля с постоянной средней скоростью (из-за тормозного действия положительно заряженных ионов кристаллической решетки).
Металлы обладают электронной проводимостью.

Зависимость сопротивления проводника R от температуры:

При нагревании размеры проводника меняются мало, а в основном меняется удельное сопротивление.
Удельное сопротивление проводника зависит от температуры:

где ро — удельное сопротивление при 0 градусов, t — температура,

— температурный коэффициент сопротивления
( т.е. относительное изменение удельного сопротивления проводника при нагревании его на один градус)

Для металлов и сплавов

Обычно для чистых металлов принимается

Таким образом, для металлических проводников с ростом температуры

увеличивается удельное сопротивление, увеличивается сопротивление проводника и уменьшается эл.ток в цепи.

Сопротивление проводника при изменении температуры можно рассчитать по формуле:

R = Ro ( 1 +

где Ro — сопротивление проводника при 0 градусов Цельсия
t — температура проводника

— температурный коэффициент сопротивления

Открытие низкотемпературной сверхпроводимости: 1911г. — голландский ученый Камерлинг — Оннес
наблюдается при сверхнизких температурах (ниже 25 К) во многих металлах и сплавах;
при таких температурах удельное сопротивление этих веществ становится исчезающе малым.

В 1957 г. дано теоретическое объяснение явления сверхпроводимости: Купер (США), Боголюбов (СССР)

1957г. опыт Коллинза: ток в замкнутой цепи без источника тока не прекращался в течение 2,5 лет.

В 1986 г. открыта (для металлокерамики) высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).

Трудность достижения сверхпроводимости:
— необходимость сильного охлаждения вещества

Область применения:
— получение сильных магнитных полей;
— мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в ускорителях и генераторах.

В настоящий момент в энергетике существует большая проблема
— большие потери электроэнергии при передаче ее по проводам.

Возможное решение проблемы: при сверхпроводимости сопротивление проводников приблизительно равно 0 и потери энергии резко уменьшаются.

Вещество с самой высокой температурой сверхпроводимости
В 1988 г. США, при температуре –148°С было получено явление сверхпроводимости. Проводником служила смесь оксидов таллия, кальция, бария и меди.

Электрический ток в различных средах — Класс!ная физика

Источник

Методика изучения, контроля и систематизации знаний при изучении темы «Электрический ток в разных средах»

Разделы: Физика

При изучении темы «Электрический ток в средах» целесообразно использовать составление таблицы, дающей возможность сопоставить механизм прохождения тока в различных средах, выявить различия и общие черты данного явления, применение его на практике (см. табл.1).

Составление таблицы возможно на любом этапе изучения темы в зависимости от образовательного уровня учащихся, подготовки учителя и цели, которую ставит перед собой учитель.

Рассмотрим работу с таблицей на разных этапах изучения темы.

1. Составление таблицы можно начать на первом уроке. Опираясь на знания, полученные учащимися при изучении темы «Электрический ток» в курсе физики 8 класса, целесообразно напомнить им, что все вещества делятся на проводники и диэлектрики условно по количеству свободных носителей зарядов, напомнить условия протекания тока. Далее с помощью демонстраций учащимся показывается, что электрический ток можно получить в любой среде, подчеркнув, что во всех случаях для прохождения тока через среду в ней нужно создать электрическое поле, но в одних средах ток начинается сразу, т.к. в них есть свободные носители заряда, а в других носители заряда надо создать тем или иным способом.

1) Свечение лампы — ток в металлах.
2) Несамостоятельный разряд в газах — ток в газах.
3) Прохождение тока через раствор соли — ток в жидкостях.
4) Проводимость полупроводников при нагревании и освещении.
5) Работа вакуумного диода — ток в вакууме.

Затем, перед учащимися ставится задача изучить механизм появления, свойства и поведение носителей зарядов в различных средах, и практическое применение тока в этих средах в быту и технике. При этом сразу выстраивается план изучения темы в виде заполнения первой горизонтальной и первой вертикальной строк таблицы.

В дальнейшем возможно в хорошо подготовленных классах заполнение таблицы проводить горизонтальными строками. При этом четко просматриваются сходства и различия в проводимости различных сред. Такой подход позволяет развивать мыслительную способность учащихся, способность сравнивать, анализировать, обобщать.

2. В менее подготовленных классах заполнение таблицы можно проводить вертикальными столбцами по мере изучения механизма проводимости различных сред. При этом целесообразно после изучения темы «электрический ток в металлах» вместе с учащимися выделить основные компоненты (пункты) рассказа о данном явлении, поместив их в первую вертикальную колонку таблицы.

3. Возможно заполнение таблицы вместе с учащимися на уроке обобщения темы с использованием доски. При этом отдельные учащиеся заполняют и объясняют каждый свою колонку. ( В слабом классе это может делать сам учитель с помощью учеников).

4. И, наконец, заполнение таблицы можно предоставить учащимся в конце изучения темы как самостоятельную, контрольную или домашнюю работ .

Среда	Металлы	Полупроводники	Жидкости	Вакуум	Газы
Носители заряда	Электроны	Электроны и дырки	Ионы	Электроны	Ионы и электроны
Образование носителей заряда	При образовании кристалла валентные электроны теряют связь с ядром атома и становятся свободными.	При разрыве ковалентных связей между атомами в результате нагревания кристалла или под действием света образуются свободные электроны и дырки — вакантные места в связях.	При взаимодействии молекул жидкости с молекулами растворителя или при взаимодействии друг с другом в результате нагревания молекулы распадаются на ионы.	При нагревании металла с его поверхности вылетают самые быстрые электроны — термоэлектронная эмиссия.	Под действием ионизатора или в результате тепловых столкновений молекулы газов теряют один или два электрона, становясь положительными ионами. Электрон остается свободным или присоединяется к нейтральному атому образуя отрицательный ион.
Способ создания электрического поля.	Присоединение к проводнику источника тока.	Присоединение полупроводникового элемента к источнику тока	Введение в раствор электролитов электродов	Введение в вакуумное пространство электродов.	Введение в газовое пространство электродов.
Движение заряженных частиц в средах	Электроны двигаются к положительному электроду.	Электроны двигаются к положительному полюсу источника тока, дырки — к отрицательному	Положительные ионы двигаются к катоду, отрицательные ионы — к аноду	Электроны двигаются к аноду	Положительные ионы двигаются к катоду, электроны и отрицательные ионы — к аноду
Вольтамперная характеристика
Основные законы

—

— — Применение В электронагревательных и осветительных приборах, электродвигателях, для подведения тока к любому электрическому устройству В радиотехнике для выпрямления тока, для изменения его характеристик, получения тока в солнечных батареях, в различного рода реле и автоматических устройствах Покрытие одних металлов другими, для получения чистых веществ, для заточки хирургических инструментов, для получения копий с рельефных изображений и т.д. В радиотехнике для выпрямления тока и изменения его характеристик, в электронно-лучевых трубках, используемых в телевидении, осциллографах, медицинских приборах и т.д. В лампах дневного света, рекламных трубках, электросварке, при искровой обработке металлов и т.д.

В классе, где у учащихся развито образное мышление, можно во второй, третьей и четвертой горизонтальных строчках таблицы заменить текст соответствующими рисунками (см. табл.2).

Источник

Свободные носители электрического заряда в металлах.

Электрический ток в металлах обуславливается упорядоченным движением свободных электронов (электронов проводимости). Положительно заряженные ионы не принимают участия в переносе заряда.

Электронную природу носителей тока в металлах объясняют таким образом:

Кристаллическая решетка металла состоит из положительных ионов, которые расположены в узлах решетки, и электронов, которые свободно передвигаются между узлами. Эти электроны — являются валентными электронами атомов металла, которое оставили свои атомы. Свободные электроны беспорядочно двигаются по кристаллу, «не помня» уже, какому атому они принадлежали. Их также называют электронным газом. Естественно, при этом сумма положительных зарядов ионов решетки равняется суммарному отрицательному заряду свободных электронов, значит, металл остается незаряженным, или электронейтральным.

Не думайте, что под действием электрического тока все электроны в проводнике направляются в одном направлении. У них просто появляется преимущественное направление движения (вдоль поля), накладывающееся на хаотическое движение в отсутствие поля.

Причем средняя скорость движения электронов составляет несколько миллиметров в секунду. Однако скорость распространения самого электрического поля — окло 3 · 10 8 м/с. С такой же скоростью распро­страняется электрический ток.

Здесь можно провести аналогию электрического тока с течением воды в водопроводе, а распространение электрического поля — с распространением давления воды. Вода в кране находится под давлением всего столба воды в водонапорной башне. Но из крана течет та вода, которая в нем была, а вода из башни дойдет до крана гораздо позднее, т. к. движение воды происходит с гораздо меньшей скоростью, чем распространение давления.

Существование свободных электронов в металлах доказано опытнм путем Л. И. Мандельшта­ма и Н. Д. Папалекси (качественно), Б. Стюартом и Р. Томсоном — с получением количественных результатов (1916 г.).

Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки через специальные контакты замыкались на чувствительный гальванометр. После раскручивания катушки она резко тормози­лась специальным приспособлением. При этом гальванометр регистрировал кратковременный ток, направление которого указывало на отрицательный знак носителей заряда. В опыте были использованы инерционные свойства электронов: при резком торможении проводника они продолжали некоторое время двигаться (подобно пассажирам резко тормозящего вагона). Из этих опытов было определено отношение заряда к массе носителя то­ка, которое совпало с соответствующим значением для электрона (1,8 · 10 11 Кл/кг.)

Объяснить большинство свойств металлов, например, его электричес­ких свойств (закон Ома), озволяет электронная теория металлов. Клас­сическая электронная теория металлов основывается на представлении об электронах проводимости как об электронном газе, подобном иде­альному атомарному газу молекулярной физики. В этой теории счита­ется, что движение электронов подчиняется законам Ньютона, взаи­модействием между собой электронов пренебрегают, а взаимодействие с положительными ионами решетки сводят только к соударениям.

Что бы объяснить закон Ома основываясь на классической электронной теории металлов, нужно определить выражение для средней скорости v направленного упорядоченного движения электронов в электричес­ком поле с напряженностью Е и подставить в известную формулу для силы тока I:

где q₀ = e — заряд электрона, n — концентрация электронов, S — площадь поперечного сечения проводника.

Электроны в металле, участвуя в тепловом движении, все время сталкиваются с ионами решетки. Т.к. масса электрона гораздо меньше массы иона, значит, после следующего столкновения все направления скорости равновероятны. Это значит, что начальная скорость после следующего столкновения может иметь любое направление и, значит, среднее значение вектора на­чальной скорости равняется нулю, и начальная скорость не влияет на среднюю скорость направленного движения электронов. Это позволяет считать, что средняя скорость упорядоченно­го движения электронов v равняется произведению ускорения на среднее время τ движения электро­на между двумя соударениями с ионами: v = а · τ. Применив второй закон Ньютона и выражение для напряженности электрического поля, получим:

где F — сила, действующая на электрон со стороны поля, U — напряжение на концах проводника длиной L.

Теперь, подставляя полученное уравнение в выражение I = q₀nvS, имеем:

.

Как можно увидеть из полученного выражения, сила тока является пропорциональной напряжению, как это и следует из закона Ома. Это следствие того, что средняя скорость направленного движения электронов прямо пропорциональна напряженности электрического поля в металле.

Но классическая электронная теория не может объяснить большинство эксперименталь­ных зависимостей, таких как, зависимость сопротивления от температуры. Это связано с тем, что движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики, а не классической механики Ньютона.

Источник