что представляет собой электрический ток в металле?
электрический ток в металлических проводниках представляет собой упорядоченное движение свободных электронов, под действием электрического поля
Если в проводнике нет электрического поля, то электроны движутся хаотично, аналогично тому, как движутся молекулы газов или жидкостей. В каждый момент времени скорости различных электронов отличаются по модулям и по направлениям. Если же в проводнике создано электрическое поле, то электроны, сохраняя свое хаотичное движение, начинают смещаться в сторону положительного полюса источника. Вместе с беспорядочным движением электронов возникает и упорядоченный их перенос — дрейф.
Остальные ответы
Электроны, которые движутся по металлическому проводнику, совершают работу, а энергию для своего движения они получают от электрического поля. Эту энергетическую характеристку поля называют электрическим напряжением, и определяют как отношение работы электрического поля к модулю перемещаемого заряда на участке цепи.
На вопрос отвечает Новая концепция электричества Твердохлебова Г. А.
1.Токи текут не в проводниках, а вокруг них.
2.ЭДС токов формируется разностью потенциалов между потенциала источника тока и нулевым потенциалом проводника.
3.Переменный ток формируется электронными и позитронными зарядами.
4.Скорость электронно-позитронного тока равна скорости света.
5.Скорость свободных электронов, тормозящих движение тока проводимости, равна
0,1 мм.
6. При сверхнизких температурах свободные электроны проводника примораживаются к атомам – рождается сверхпроводимость.
Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля.
Электрический ток в металлах
Наличие комнатной температуры не позволяет электронам проходить этот барьер. Потенциальная энергия выхода электрона после взаимодействия с кристаллической решеткой намного меньше, чем при удалении электрона из проводника.
Конец свободного пробега характеризуется дрейфовой скоростью электрона, которую определяют по формуле
υ д = υ д m a x = e E m τ .
Время свободного пробега обозначается τ . Оно способствует упрощению расчетов для нахождения значения всех электронов. Средняя скорость дрейфа υ д равняется половине максимального значения:
υ д = 1 2 υ д m a x = 1 2 e E m τ .
Если имеется проводник с длиной l , сечением S с концентрацией электронов n , тогда запись нахождения тока в проводнике имеет вид:
I = e n S υ д = 1 2 e 2 τ n S m E = e 2 τ n S 2 m l U .
U = E l – это напряжение на концах проводника. Формула выражает закон Ома для металлического проводника. Тогда электрическое сопротивление необходимо находить:
R = 2 m e 2 n τ l S .
Удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются как:
ρ = 2 m e 2 n τ ; ν = 1 ρ = e 2 n τ 2 m .
Закон Джоуля-Ленца
Конец пробега электронов под действием поля характеризуется кинетической энергией
1 2 m ( υ д ) m a x 2 = 1 2 e 2 τ 2 m E 2 .
Позже в 1988 году создали Tl — Ca — Ba — Cu — O соединение с критической Т , достигающей 125 К . На данный момент ученые заинтересованы в поиске новых веществ с наиболее высокими значениями T к р . Они рассчитывают на получение сверхпроводящего вещества при комнатной температуре. Если это будет сделано, произойдет революция в науке и технике. До настоящего времени все свойства и механизмы состава сверхпроводимых керамических материалов до конца не исследованы.
“Электрический ток в металлах. Действие электрического тока”
Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.
Наличие электрического тока в проводниках можно определить по действиям, которые ток производит: нагреванию проводников, выделению веществ, входящих в состав электролита, на опущенных в раствор электродах; созданию вокруг проводников магнитного поля.
Показ роли физического эксперимента и физической теории в изучении физических явлений.
1. Организационный момент (1 мин.).
2. Актуализация знаний (5мин.).
3. Передача учащимся новых знаний (22 мин.).
4. Организация многократного выполнения деятельности учащимися, указанной в цели по развитию (10 мин.).
5. Контроль (2 мин.).
1. Организационный момент.
Учитель: Здравствуйте, ребята! Запишем тему сегодняшнего урока:
“Электрический ток в металлах. Действие электрического тока”.
Также запишите домашнее задание: параграфы 34, 35, 36.
2. Актуализация знаний.
Учитель: Как называют частицу с самым малым зарядом?
Учитель: Как образуются положительные и отрицательные ионы?
Ученики: Атом, потерявший один или несколько электронов, уже не является нейтральным, а будет иметь положительный заряд. Его называют положительным ионом. Если лишний электрон присоединяется к нейтральному атому, атом приобретает отрицательный заряд и становится отрицательным ионом.
Учитель: Напомню, что в твердом состоянии металлы имеют кристаллическое строение.
Можете ли вы нарисовать на доске кристаллическую решетку металла?
В узлах кристаллической решетки металла расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся свободные электроны.
Какие электроны называют свободными?
Ученики: Свободные электроны – это электроны, достаточно удаленные от ядра, которые могут покинуть свое место (орбиталь) и свободно двигаться между атомами.
Учитель: Чему равен по абсолютной величине отрицательный заряд всех свободных электронов в металле?
Ученики: Положительному заряду всех ионов.
Учитель: Известно, что металлы являются хорошими проводниками.
Как вы думаете, почему в обычных условиях металл электрически нейтрален?
Ученики: Свободные электроны движутся беспорядочно.
Учитель: Как вы думаете, что произойдет с беспорядочно движущимися электронами, если в металле создать электрическое поле?
Ученики: Электроны начнут двигаться упорядоченно.
Учитель: Свободные электроны начнут двигаться направленно под действием электрических сил. Беспорядочное движение при этом сохраняется, подобно тому, как сохраняется беспорядочное движение в стайке мошкары, когда под действием ветра она перемещается в одном направлении. Давайте посмотрим движение электронов в кристаллическом проводнике.
Используется фрагмент анимации “Движение электронов в кристаллическом проводнике”.
Так возникает в проводнике электрический ток.
Запишем: электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.
3. Передача учащимся новых знаний.
Учитель: Мы не можем видеть движущиеся в металлическом проводнике электроны.
А как мы можем определить наличие тока в цепи?
Ученики: измерить ток амперметром или включить в цепь лампочку.
Учитель: Если у нас в цепи имеются только источник тока, ключ и проводник, то, как мы сможем определить наличие тока в цепи?
Ученики выдвигают версии.
Учитель: О наличии электрического тока в цепи мы можем судить лишь по различным явлениям, которые вызывает электрический ток. Некоторые из этих действий легко наблюдать на опыте.
Учитель: Присоединим к полюсам источника никелиновую проволоку. Посмотрите, проволока нагревается и слегка провисает. Ее можно раскалить докрасна. Например, в электрических лампах тонкая вольфрамовая проволочка нагревается током до яркого свечения. Даже после отключения тока лампочка остается теплой.
Интересно, а как можно назвать данное действие электрического тока?
Ученики: Тепловое действие электрического тока.
Учитель: Давайте рассмотрим тепловое действие тока на молекулярном уровне.
Используется анимация “Движение электронов в кристаллическом проводнике”.
Давайте проведем другой опыт.
Учитель: Соберем цепь, состоящую из источника тока, ключа, лампочки, также присоединим два электрода, опущенные в раствор медного купороса.
Мы знаем, чтобы в цепи был ток, она должна быть замкнутой, т.е. состоять только из проводников электричества.
Как вам кажется два электрода, опущенные в раствор медного купороса, являются проводниками электричества?
Ученики: Да, электроды, опущенные в раствор медного купороса, являются проводниками электричества.
Учитель: Как определить, что электроды, опущенные в раствор медного купороса, являются проводниками электричества?
Ученики: Нужно замкнуть цепь, и, если лампочка загорится, значит, цепь замкнута.
Учитель: Верно. Можно сказать, что лампочка служит индикатором.
Давайте проверим наше предположение (производится опыт).
Учитель: Действительно, лампочка горит. Значит, ток в цепи есть.
Объясните, почему ток в цепи есть, а электроды не соединены проводником между собой?
Ученики делают свои предположения.
Учитель: Чтобы получить ответ на этот вопрос, давайте посмотрим мультимедийный опыт.
Используется анимация “Движение ионов и электронов при электролизе”.
Учитель: В данном опыте мы наблюдали химическое действие тока. Об этом более подробно вы узнаете в старших классах.
Давайте проведем еще один опыт.
Медный провод, покрытый изоляционным материалом, намотаем на железный гвоздь. Концы провода соединим с источником тока. Замкнем цепь. Поднесем к обмотанному гвоздю металлические скрепки. Посмотрите, металлические скрепки притянулись к обмотанному гвоздю. Скажите, чем в данном случае служит металлический гвоздь, если он притягивает металлические предметы?
Ученики: Металлический гвоздь служит магнитом.
Учитель: Верно. Вокруг проводника с током возникает магнитное поле. И как же можно назвать действие тока в данном случае?
Ученики: Магнитное действие тока.
4. Организация многократного выполнения деятельности учащимися, указанной в цели по развитию.
Учитель: Проверьте на основании опыта, что вокруг проводника с током создается магнитное поле. Для этого используйте электрическую цепь, состоящую из источника тока, проводника, ключа и магнитной стрелки. Магнитную стрелку установите параллельно проводнику.
Убедитесь в существовании магнитного действия тока, используя анимацию “Рамка с током вблизи провода”.
Покажите химическое действие тока, используя растворы сахара и соли.
Докажите, что электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов, используя для этого анимацию “Движение электронов в кристаллическом проводнике”. Придумайте к этой анимации несколько вопросов, которые вы зададите своим одноклассникам.
1) Продолжите фразу: Электрический ток в металлах — …….
2) Наличие электрического тока в проводниках можно определить по действиям, которые ток производит. Перечислите их, используя данную картинку. Используется картинка “Действия тока”.
3) Посмотрите видеофрагмент и объясните, какое действие тока показано в опыте.
Используется видеофрагмент “Удлинение проволоки за счет нагревания при пропускании тока”.
Учитель: Спасибо за урок. До свидания!
Электрический ток в металлах
Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. Этими частицами могут являться не только свободные электроны, но и ионы.
Металлы являются отличными проводниками. Какие частицы приходят в движение под действием электрического поля в них: электроны или ионы?
На данном уроке вы узнаете ответ на этот вопрос. Мы вспомним некоторые факты о строении металлов и рассмотрим процессы, которые будут происходить в этих веществах при протекании тока.
Строение металлов
Находясь в твердом агрегатном состоянии, металлы обладают кристаллической решеткой. Это упорядоченная структура: каждый атом находится в строго определенном месте.
Но какие частицы тогда будут обеспечивать протекание электрического тока? Дело в тем, что в узлах кристаллической решетки находятся положительные ионы (рисунок 1). В пространстве меду этими ионами беспрестанно двигаются свободные электроны.
Вспомним немного о том, что же представляют собой такие частицы, как ионы. В обычных условиях атомы электрически нейтральны. Электроны несут отрицательный заряд, а протоны, находящиеся в ядре — положительный. Заряд этот по модулю одинаков. Таким образом, в электрически нейтральном атоме количество электронов будет равно количеству протонов в ядре.
Если атом теряет хоть один электрон, он теряет свою электронную стабильность. Теперь суммарный положительный заряд всех протонов в ядре по абсолютному значению больше отрицательного заряда электронов. Такой атом называют положительным ионом.
В таком строении кроется ответ на вопрос: “Почему в обычных условиях металл электрически нейтрален?”.
Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решетки.
Обратите внимание на тот факт, что не все электроны в металлах являются свободными. Часть из них остается связанными с ядрами атомов, а другая их часть — беспорядочно движется между этими атомами.
Эти электроны изначально находятся на самых удаленных от ядра орбитах. Они слабо связаны с ядром. Поэтому они могут довольно легко переходить от одного атома к другому, повторяя этот процесс множество раз. Именно это движение мы и называем беспорядочным движением свободных электронов.
Ток в металлах
Создадим в металле электрическое поле с помощью любого источника тока. Положительные ионы останутся в узлах кристаллической решетки. В движение придут именно свободные электроны под действием электрических сил. Их движение станет направленным (рисунок 2).
При этом сохранится и беспорядочность этого движения. Как это можно представить? Вообразите себе стайку мошкары, где каждое насекомое беспорядочно двигается. Если подует ветер, то эта стайка начнет перемещаться в одном направлении, при этом беспорядочное движение внутри этой стайки сохранится. На это и будет похоже движение электронов под действием электрических сил.
Теперь мы можем определить природу электрического тока в металлах и дать ему определение.
Электрический ток в металлах — это упорядоченное движение свободных электронов.
Доказательные опыты
Сделанные нами выводы построены не просто на рассуждениях, но и множество раз доказаны эмпирически. Российские ученые Леонид Исаакович Мандельштам (рисунок 3) и Николай Дмитриевич Папалекси (рисунок 4) провели ряд интересных опытов. Эти опыты позже были подтверждены американскими физиками Бальфуром Стюартом и Робертом Толменом.
Суть опытов заключалась в следующем. Уже известно, что в металле есть какие-то свободные заряды, и они обладают массой. Тогда они должны испытывать на себе инерцию.
Для проверки этого предположения металлический проводник нужно было привести в движение, а затем резко остановить. Для удобства использовали вращательно движение, а не поступательное.
Металлическую проволоку наматывали на деревянный каркас и раскручивали (рисунок 5). После резкой остановки с помощью гальванометра фиксировали возникновение тока.
Было определено, что именно электроны вылетали из проводника. Установили это, определяя отношение заряда к массе его носителя. Эти данные для электрона у ученых уже имелись.
Скорость распространения электрического поля и тока в металлах
После создания электрического поля свободные электроны приходят в движение. Скорость их движения совсем небольшая. В среднем она составляет несколько миллиметров в секунду.
Но как тогда после щелчка выключателем лампа в комнате загорается мгновенно? Дело обстоит в следующем.
Именно само электрическое поле распространяется в проводнике с огромной скоростью. Она близка к скорости света в вакууме ($c = 300 \space 000 \frac$). Распространяется поле по всей длине проводника.
Соответственно, в движение приходят одновременно все электроны в проводнике. И те, что ближе к выключателю, и те, что ближе к электроприбору.
Например, пошлем электрический сигнал из Владивостока в Москву. Расстояние между этими городами составляет около 8000 км. В Москве сигнал будет зафиксирован уже через 0,03 с. Это не означает, что электроны от Владивостока проделали весь этот путь за указанное время и прибыли в Москву. Нет, это электрическое поле распространилось по проводам с невероятной скоростью и привело в движение самые ближние к приемнику в Москве электроны в движение, которое и было зафиксировано.
Поэтому, когда говорят о скорости распространения тока в проводнике, то имеется в виду скорость распространения электрического поля по всей длине проводника.
Скорость движения электронов в металлах
С какой скоростью все же двигаются сами электроны в металлах? Давайте ответим на этот вопрос и сравним полученную скорость со скоростью света, т.е. со скоростью распространения электрического поля по проводнику.
Скорость движения электронов при действии на них электрических сил называется дрейфовой скоростью.
Величина дрейфовой скорости электронов лежит в пределах $0.6 — 6 \frac$.
Сравним среднее значение этой скорости ($2.7 \frac$) со скоростью света. Для этого переведем значение, выраженное в $\frac$ в $\frac$:
$\upsilon_e = 2.7 \frac = 2.7 \cdot 10^ \frac$.
Получается, что скорость распространения электрического поля по проводнику (скорость света) больше в $10^$ раз скорости движения электронов под действием этого же электрического поля.