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 |  |
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
Электрический ток в металлах
Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: носители свободных электрических зарядов в металлах.
В этом листке мы приступаем к подробному изучению того, как осуществляется прохождение электрического тока в различных проводящих средах — твёрдых телах, жидкостях и газах.
Напомним, что необходимым условием возникновения тока является наличие в среде достаточно большого количества свободных зарядов, которые могут начать упорядоченное движение под действием электрического поля. Такие среды как раз и называются проводниками электрического тока.
Наиболее широко распространены металлические проводники. Поэтому начинаем мы с вопросов распространения электрического тока в металлах.
Мы много раз говорили о свободных электронах, которые являются носителями свободных зарядов в металлах. Вам хорошо известно, что электрический ток в металлическом проводнике образуется в результате направленного движения свободных электронов.
Свободные электроны
Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическую структуру: расположение атомов в пространстве характеризуется периодической повторяемостью и образует геометрически правильный рисунок, называемый кристаллической решёткой.
Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, расположенных на внешней электронной оболочке. Эти валентные электроны слабо связаны с ядром, и атом легко может их потерять.
Когда атомы металла занимают места в кристаллической решётке, валентные электроны покидают свои оболочки — они становятся свободными и отправляются «гулять» по всему кристаллу (а именно, свободные электроны перемещаются по внешним орбиталям соседних атомов. Эти орбитали перекрываются друг с другом вследствие близкого расположения атомов в кристаллической решётке, так что свободные электроны оказываются «общей собственностью» всего кристалла). В узлах кристаллической решётки металла остаются положительные ионы, пространство между которыми заполнено «газом» свободных электронов (рис. 1 ).
Рис. 1. Свободные электроны
Свободные электроны и впрямь ведут себя подобно частицам газа (другой адекватный образ — электронное море, которое «омывает» кристаллическую решётку) — совершая тепловое движение, они хаотически снуют туда-сюда между ионами кристаллической решётки. Суммарный заряд свободных электронов равен по модулю и противоположен по знаку общему заряду положительных ионов, поэтому металлический проводник в целом оказывается электрически нейтральным.
Газ свободных электронов является «клеем», на котором держится вся кристаллическая структура проводника. Ведь положительные ионы отталкиваются друг от друга, так что кристаллическая решётка, распираемая изнутри мощными кулоновскими силами, могла бы разлететься в разные стороны. Однако в тоже самое время ионы металла притягиваются к обволакивающему их электронному газу и, как ни в чём не бывало, остаются на своих местах, совершая лишь тепловые колебания в узлах кристаллической решётки вблизи положений равновесия.
Что произойдёт, если металлический проводник включить в замкнутую цепь, содержащую источник тока? Свободные электроны продолжают совершать хаотическое тепловое движение, но теперь — под действием возникшего внешнего электрического поля — они вдобавок начнут перемещаться упорядоченно. Это направленное течение электронного газа, накладывающееся на тепловое движение электронов, и есть электрический ток в металле (поэтому свободные электроны называются также электронами проводимости). Скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике, как нам уже известно, составляет приблизительно 0,1мм/с.
Опыт Рикке
Почему мы решили, что ток в металлах создаётся движением именно свободных электронов? Положительные ионы кристаллической решётки также испытывают на себе действие внешнего электрического поля. Может, они тоже перемещаются внутри металлического проводника и участвуют в создании тока?
Упорядоченное движение ионов означало бы постепенный перенос вещества вдоль направления электрического тока. Поэтому надо просто пропускать ток по проводнику на протяжении весьма длительного времени и посмотреть, что в итоге получится. Такого рода эксперимент и был поставлен Э.Рикке в 1901 году.
В электрическую цепь были включены три прижатых друг к другу цилиндра: два медных по краям и один алюминиевый между ними (рис. 2 ). По этой цепи пропускался электрический ток в течение года.
Рис. 2. Опыт Рикке
За год сквозь цилиндры прошёл заряд более трёх миллионов кулон. Предположим, что каждый атом металла теряет по одному валентному электрону, так что заряд иона равен элементарному заряду Кл. Если ток создаётся движением положительных ионов, то нетрудно подсчитать (сделайте это сами!), что такая величина прошедшего по цепи заряда соответствует переносу вдоль цепи около 2кг меди.
Однако после разъединения цилиндров было обнаружено лишь незначительное проникновение металлов друг в друга, обусловленное естественной диффузией их атомов (и не более того). Электрический ток в металлах не сопровождается переносом вещества, поэтому положительные ионы металла не принимают участия в создании тока.
Опыт Стюарта–Толмена
Прямое экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создаётся движением свободных электронов, было дано в опыте Т.Стюарта и Р.Толмена (1916 год).
Эксперименту Стюарта–Толмена предшествовали качественные наблюдения, сделанные четырьмя годами ранее русскими физиками Л.И.Мандельштамом и Н.Д.Папалекси. Они обратили внимание на так называемый электроинерционный эффект: если резко затормозить движущийся проводник, то в нём возникает кратковременный импульс тока. Эффект объясняется тем, что в течение небольшого времени после торможения проводника его свободные заряды продолжают двигаться по инерции.
Однако никаких количественных результатов Мандельштам и Папалекси не получили, и наблюдения их опубликованы не были. Честь назвать опыт своим именем принадлежит Стюарту и Толмену, которые не только наблюдали указанный электроинерционный эффект, но и произвели необходимые измерения и расчёты.
Установка Стюарта и Толмена показана на рис. 3 .
Рис. 3. Опыт Стюарта–Толмена
Катушка большим числом витков металлического провода приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы обмотки с помощью скользящих контактов были подсоединены к специальному прибору — баллистическому гальванометру, который позволяет измерять проходящий через него заряд.
После резкого торможения катушки в цепи возникал импульс тока. Направление тока указывало на то, что он вызван движением отрицательных зарядов. Измеряя баллистическим гальванометром суммарный заряд, проходящий по цепи, Стюарт и Толмен вычислили отношение заряда одной частицы к её массе. Оно оказалось равно отношению для электрона, которое в то время уже было хорошо известно.
Так было окончательно выяснено, что носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны. Как видите, этот давно и хорошо знакомый вам факт был установлен сравнительно поздно — учитывая, что металлические проводники к тому моменту уже более столетия активно использовались в самых разнообразных экcпериментах по электромагнетизму (сравните, например, с датой открытия закона Ома — 1826 год. Дело, однако, заключается в том, что сам электрон был открыт лишь в 1897 году).
Зависимость сопротивления от температуры
Опыт показывает, что при нагревании металлического проводника его сопротивление увеличивается. Как это объяснить?
Причина проста: с повышением температуры тепловые колебания ионов кристаллической решётки становятся более интенсивными, так что число соударений свободных электронов с ионами возрастает. Чем активнее тепловое движение решётки, тем труднее электронам пробираться сквозь промежутки между ионами (Представьте себе вращающуюся проходную дверь. В каком случае труднее проскочить через неё: когда она вращается медленно или быстро? :-)). Скорость упорядоченного движения электронов уменьшается, поэтому уменьшается и сила тока (при неизменном напряжении). Это и означает увеличение сопротивления.
Как опять-таки показывает опыт, зависимость сопротивления металлического проводника от температуры с хорошей точностью является линейной:
Здесь — сопротивление проводника при . График зависимости (1) является прямой линией (рис. 4 ).
Множитель называется температурным коэффициентом сопротивления. Его значения для различных металлов и сплавов можно найти в таблицах.
Длина проводника и его площадь поперечного сечения при изменении температуры меняются несущественно. Выразим и через удельное сопротивление:
и подставим эти формулы в (1) . Получим аналогичную зависимость удельного сопротивления от температуры:
Коэффициент весьма мал (для меди, например, ), так что температурной зависимостью сопротивления металла часто можно пренебречь. Однако в ряде случаев считаться с ней приходиться. Например, вольфрамовая спираль электрической лампочки раскаляется до такой степени, что её вольт-амперная характеристика оказывается существенно нелинейной.
Рис. 5. Вольт-амперная характеристика лампочки
Так, на рис. 5 приведена вольт-амперная характеристика автомобильной лампочки. Если бы лампочка представляла собой идеальный резистор, её вольт-амперная характеристика была прямой линией в соответствии с законом Ома. Эта прямая изображена синим пунктиром.
Однако по мере роста напряжения, приложенного к лампочке, график отклоняется от этой прямой всё сильнее и сильнее. Почему? Дело в том, что с увеличением напряжения ток через лампочку возрастает и больше разогревает спираль; сопротивление спирали поэтому также увеличивается. Следовательно, сила тока хотя и продолжит возрастать, но будет иметь всё меньшее и меньшее значение по сравнению с тем, которое предписывается «пунктирной» линейной зависимостью тока от напряжения.
Источник
