Elektromos áramkör. Elektromos áram a fémekben

A fémekben az elektromos áram az elektronok rendezett mozgása elektromos tér hatására. Kísérletek azt mutatják, hogy amikor áram folyik át egy fémvezetőn, nem kerül át anyag, ezért a fémionok nem vesznek részt az elektromos töltés átvitelében.

A fémek áramának elektronikus természetére a legmeggyőzőbb bizonyítékot az elektronok tehetetlenségével végzett kísérletek során nyerték.

Az ilyen kísérletek ötlete és az első kvalitatív eredmények L. I. Mandelstam és N. D. Papaleksi (1913) orosz fizikusoké. 1916-ban R. Tolman amerikai fizikus és B. Stewart skót fizikus továbbfejlesztette a technikát és kvantitatív méréseket végzett, bebizonyítva, hogy a fémvezetők áramát az elektronok mozgása okozza.

A fémek jó elektromos vezetőképessége a szabad elektronok nagy koncentrációjának köszönhető.

1900-ban P. Drude német tudós a fémekben lévő szabad elektronok létezésének hipotézisére alapozva megalkotta a fémek vezetőképességének elektronikus elméletét. Ezt az elméletet H. Lorentz holland fizikus munkáiban dolgozták ki, és az ún klasszikus elektronelmélet . Ezen elmélet szerint a fémekben lévő elektronok elektrongázként viselkednek, nagyjából úgy, mint egy ideális gáz.

Az elektrongáz tölti ki a fém kristályrácsát alkotó ionok közötti teret. Az ionokkal való kölcsönhatás miatt az elektronok csak az ún potenciális akadály . Ennek az akadálynak a magasságát ún munka funkció

. Normál (szoba) hőmérsékleten az elektronok nem rendelkeznek elegendő energiával a potenciálgát leküzdésére. A szabad elektronok véletlenszerűen mozognak, és mozgásuk során rácsionokkal ütköznek. Az ilyen ütközések következtében termodinamikai egyensúly jön létre az elektrongáz és a rács között. A Drude–Lorentz-elmélet szerint az elektronok átlagos hőmozgási energiája megegyezik a monatomikus ideális gáz molekuláival. Ez lehetővé teszi az elektronok hőmozgásának átlagos sebességének becslését a molekuláris kinetikai elmélet képletei segítségével.

Szobahőmérsékleten ez körülbelül 10 5 m/s-nak bizonyul.

Ha egy fémvezetőre külső elektromos mezőt hozunk, akkor az elektronok hőmozgása mellett azok rendezett mozgása (drift), azaz elektromos áram jön létre.

A szabad elektronok koncentrációja a fémekben megközelítőleg megegyezik az atomok koncentrációjával n~ 10 28 –10 29 m –3 , elektrontöltési modulus e= 1,6 * 10 19 Cl. Keresztmetszetű vezetékhez S= 1 mm 2 = 10 -6 m 2 áramerősség mellett én= 1 A az elektronok rendezett mozgásának sebessége

1 s alatt a vezetőben lévő elektronok 0,1 mm-nél kisebb mértékben mozognak a rendezett mozgás miatt.

Így, átlagsebesség Az elektronok rendezett mozgása a fémvezetőkben sok nagyságrenddel kisebb az átlagos sebességnél hőmozgásukat .

Az alacsony sodródási sebesség ellentmond annak a kísérleti ténynek, hogy az áram a teljes egyenáramkörben szinte azonnal létrejön. Az áramkör lezárása az elektromos tér sebességét okozza c= 3·10 8 m/s. Időrenden keresztül l/ -val (l– a lánc hossza) a lánc mentén az elektromos tér stacionárius eloszlása ​​jön létre, és megindul benne az elektronok rendezett mozgása.

A fémek klasszikus elektronelmélete azt feltételezi, hogy az elektronok mozgása megfelel Newton mechanikai törvényeinek. Ebben az elméletben az elektronok egymás közötti kölcsönhatását figyelmen kívül hagyják, és a pozitív ionokkal való kölcsönhatásuk csak ütközésekre redukálódik. Azt is feltételezzük, hogy az elektron minden egyes ütközésnél az elektromos térben felhalmozódott összes energiát átadja a rácsnak, ezért az ütközés után nulla sodródási sebességgel kezd mozogni.

A klasszikus elektronikai elmélet megmagyarázza a fémek elektromos ellenállásának létezését, az Ohm- és a Joule-Lenz-törvényeket. A klasszikus elektronikai elmélet azonban számos kérdésben olyan következtetésekhez vezet, amelyek ellentétesek a kísérlettel.

Például ez az elmélet nem tudja megmagyarázni, hogy miért fémek moláris hőkapacitása, valamint a dielektromos kristályok moláris hőkapacitása egyenlő 3-mal R , Hol R– univerzális gázállandó (Dulong és Petit törvény). A szabad elektronok jelenléte nem befolyásolja a fémek hőkapacitását.

A klasszikus elektronikai elmélet sem tudja megmagyarázni a fémek ellenállásának hőmérséklet-függését. ρ ~ Az elmélet ad, míg a kísérlet függőséget ad.

T

A klasszikus elektronikai elmélet szerint a fémek ellenállásának monoton csökkennie kell a lehűléssel, véges maradva minden hőmérsékleten.

Alacsonyabb, több kelvin nagyságrendű hőmérsékleten sok fém ellenállása megszűnik a hőmérséklettől, és elér egy bizonyos határértéket. A legnagyobb érdeklődés az szupravezetési jelenség , amelyet H. Kammerlingh Onnes dán fizikus fedezett fel 1911-ben. Bizonyos meghatározott hőmérsékleten Az elmélet ad, míg a kísérlet függőséget ad kr, különböző anyagoknál eltérő, az ellenállás hirtelen nullára csökken.

Kritikus hőmérséklet a higany 4,1 K, y alumínium 1,2 K, y ón 3,7 K. A szupravezetés nemcsak elemekben, hanem számos kémiai vegyületben és ötvözetben is megfigyelhető. Például a kapcsolat nióbium ónnal (Ni 3 Sn) kritikus hőmérséklete 18 K. Egyes anyagok, amelyek alacsony hőmérsékleten szupravezető állapotba kerülnek, normál hőmérsékleten nem vezetők. Ugyanakkor az olyan „jó” vezetők, mint a réz és az ezüst, nem válnak szupravezetővé alacsony hőmérsékleten.

He -268,94 °C, N(nitrogén) -195,82 °C, H(hidrogén) -252,77 °C

Téma: "Elektromos áram a fémekben"

Az óra célja: Folytassa az elektromos áram természetének tanulmányozását fémekben, kísérletileg vizsgálja az elektromos áram hatását.

Az óra céljai:

Oktatási – az elektromos áram természetére vonatkozó közös nézetek kialakítása, az elektromos áramkörökkel való munkavégzés, az elektromos áramkörök összeállítása képességének kialakítása.

Fejlődési- a hibák megtalálásának és megelőzésének képességének fejlesztése az ismeretek gyakorlati alkalmazása során, valamint az új jelenségek logikus magyarázata, ismereteinek alkalmazása nem szabványos helyzetekben.

Oktatási – a figyelem összpontosításának, a párbeszéd folytatására és a vélemény ésszerű megvédésére való képesség fejlesztése.

Berendezések és anyagok: áramforrások, villanykörte zseblámpához, elektromos csengő, kapcsolók, ólomhuzalok, réz-szulfát oldat, elektromágnes, réz és cink lemezek, kristályrács modell, galvanométer.

TSO: számítógépes bemutató, multimédiás projektor.

Demók:

1) Egyszerű elektromos áramkörök összeszerelése.

2) Réz felszabadulása a réz-szulfát elektrolízise során

3) A tekercs működése árammal olyan, mint egy elektromágnes.

Óraterv.

1. Tudásfrissítés (10 perc).
2. Új anyag „Elektromos áram a fémekben” tanulmányozása (10 perc)

„Az elektromos áram hatásai” (12 perc)

1. Konszolidáció (9 perc)
2. Házi feladat (2 perc)
3. Összegzés (2 perc)

A lecke előrehaladása.

Sziasztok srácok!

Hogyan élne bolygónk?

Hogyan élnének meg belőle az emberek?

Hő, mágnes, fény nélkül

És az elektromos sugarak.

Ez a négysor az elektromos sugarakat említi. Szerinted mi ez? (villamos áram)

1) Mit nevezünk elektromos áramnak?

2) Mi szükséges ahhoz, hogy az áramkörben elektromos áram létezzen?

3) Diagramokkal való munka: nevezze meg az elektromos áramkör javasolt fő részeit

Javasolt szimbólumok: elektromos lámpa, kulcs, ampermérő, voltmérő, áramforrás, harangok stb.

4) Most nézzük meg, hogyan látja a szabálytalanságokat az elektromos áramkörök tervezésében.

Ön előtt van két elektromos áramkör, amelyek diagramjai a képernyőn láthatók.

1. Milyen jogsértéseket vett észre? Miért nem világít az első áramkörben lévő működő lámpa, amikor a kulcs le van zárva? Válasz. Az elektromos áramkör megszakadt. Ahhoz, hogy a lámpa világítson, elektromos áramnak kell lennie az áramkörben, és ez egy zárt, csak elektromos vezetőkből álló áramkörben lehetséges.

2) Miben különböznek a vezetők a nem vezetőktől vagy a szigetelőktől? Válasz. A diákok áthidalják a szakadékot. A lámpa világít.

2. Miért nem szól a csengő a második körben, ha az áramkör zárva van? Válasz. Ahhoz, hogy egy vezetőben elektromos áramot állítsunk elő, abban elektromos teret kell létrehozni. Ennek a mezőnek a hatására a szabad töltésű részecskék rendezett módon kezdenek mozogni, és ez elektromos áram. A vezetőkben elektromos mező jön létre, amelyet az elektromos térforrások hosszú ideig fenntarthatnak. Az elektromos áramkörnek áramforrással kell rendelkeznie. Csatlakoztatjuk az áramkört egy áramforráshoz, és megszólal a csengő. Az elektromos áram létezéséhez a következő feltételek szükségesek: -------- szabad elektromos töltések jelenléte a vezetőben; - külső elektromos tér jelenléte a vezető számára. A tanuló, áramforrást csatlakoztatva az áramkörhöz, bemutatja a helyes választ.

2. Új dolgok tanulása anyag „Elektromos áram a fémekben” - 10 perc . 1. dia Óránk témája: „Elektromos áram a fémekben. Az elektromos áram hatásai" Srácok, ki tudja, hogyan kerülheti el az elektromos áram hatásait, ha véletlenül megérint egy feszültség alatt lévő elektromos készüléket? Válasz. Ehhez földelésre van szükség, mivel a föld vezető, és hatalmas méreténél fogva nagy töltést tud tartani. Tanár. Milyen anyagokból készül a földelés? Válasz. A földelés fémből készült. Tanár. Miért részesítik előnyben a fémeket? Erre a kérdésre az „Elektromos áram a fémekben” című új téma tanulmányozása után fogunk válaszolni. Írd le a füzetedbe az óra témáját!

A fém korai definíciói közül a leghíresebbet a 18. század közepén M.V. Lomonoszov: „A fém könnyű test, amely kovácsolható. Csak hat ilyen test létezik: arany, ezüst, réz, ón, vas és ólom. Két és fél évszázaddal később sok minden ismertté vált a fémekről. A fémek az összes elem több mint 75%-át tartalmazzák D. I. Mengyelejev táblázatában.

Ma megismerkedünk a fémek egy fontos tulajdonságával - az elektromos vezetőképességgel. Emlékezzünk vissza a fémek szerkezetére. Demonstráció A kristályrács modelljeit a fémek szerkezeti modelljének képe vetíti a képernyőre.

A fém modellje egy kristályrács, melynek csomópontjaiban a részecskék kaotikus oszcillációs mozgást végeznek.

A szabad elektronok elektromos tér hatására mozognak. Ennek a ténynek a végső megerősítése az a kísérlet volt, amelyet hazánk fizikusai, L. I. Mandelstam és N. D. Papaleksi, valamint B. Stewart és R. Tolman amerikai fizikusok végeztek 1913-ban. Nézze meg a képet a képernyőn

A tudósok egy többfordulatú tekercset nagyon gyorsan forogtak a tengelye körül. Ezután a tekercs éles fékezésével a végeit a galvanométerhez csatlakoztatták, és a készülék rövid távú elektromos áramot rögzített. Az előfordulás oka, amelyet a szabad töltésű részecskék tehetetlenségi mozgása okoz a fémkristályrács csomópontjai között. Mivel a kezdeti sebesség iránya és a keletkező áram iránya tapasztalatból ismert, a hordozók töltésének előjele megtalálható: negatívnak bizonyul. Következésképpen a fémben lévő szabad töltéshordozók szabad elektronok. A galvanométer tűjének eltérítése alapján meg lehet ítélni az áramkörben áramló elektromos töltés mértékét. A tapasztalatok megerősítették az elméletet. Megtörtént a klasszikus elektromosság-elmélet diadala.


Például a Moszkvából Vlagyivosztokba vezető vezetékeken (s = 8000 km) küldött elektromos jel körülbelül 0,03 másodpercen belül megérkezik. És most továbbléphet a külvilág megértésére. Elkészítettük az elektromos áramot fémekben. Térjünk át a következő blokkra: „Az elektromos áram hatásai”

Nem láthatunk elektronokat mozgó fémvezetőben. Az áramkörben lévő áram jelenlétét az elektromos áram által okozott különféle jelenségek alapján tudjuk megítélni. Az ilyen jelenségeket aktuális cselekvéseknek nevezzük.

Az áram termikus hatása.

Az áram kémiai hatása. Az elektromos áram kémiai hatását először 1800-ban fedezték fel Tapasztalat. Végezzünk kísérletet réz-szulfát oldattal. Helyezzen két szénelektródát desztillált vízbe, és zárja le az áramkört. Megfigyeljük, hogy a lámpa nem világít. Vegyünk egy réz-szulfát oldatot, és csatlakoztatjuk egy áramforráshoz. Kigyullad az elektromos lámpa. Következtetés. Kémiai Az áram hatása az, hogy egyes savak (sók, lúgok) oldataiban, amikor elektromos áram halad át rajtuk, anyagok felszabadulását figyeljük meg. Az oldatban lévő anyagokat az ebbe az oldatba merített elektródákra helyezik. Amikor az áramot réz-szulfát (CuSO 4) oldaton vezetik át, tiszta réz (Cu) szabadul fel a negatív töltésű elektródán. Ezt tiszta fémek előállítására használják. Elektrolízissel alumíniumot és tiszta kémiai fémeket állítanak elő, nikkelezést, krómozást és aranyozást végeznek. A fémek korrózió elleni védelme érdekében felületüket gyakran nehezen oxidálható fémekkel vonják be, azaz nikkelezést vagy krómozást végeznek. Ezt a folyamatot galvanizálásnak nevezik. Srácok, milyen módszereket ismernek a fémek korrózió elleni védelmére?

A kínai filozófus, Konfuciusz egyszer azt mondta: „Jó a természetes tehetség, de a testmozgás, barátaim, többet ad nekünk, mint a természetes tehetség.” Egy orosz közmondás azt mondja: „A tanulás mindig hasznos.”1) Miért nem szabad puszta kézzel megérinteni a csupasz elektromos vezetékeket? (A kézen lévő nedvesség mindig tartalmaz különféle sók oldatát, és elektrolit. Ezért jó érintkezést hoz létre a vezetékek és a bőr között.)

Letöltés:

Előnézet:

Fizika óra 8. osztályban.

Téma: "Elektromos áram a fémekben"

Az óra célja : Folytassa az elektromos áram természetének tanulmányozását fémekben, kísérletileg vizsgálja az elektromos áram hatását.

Az óra céljai:

Oktatási –az elektromos áram természetére vonatkozó közös nézetek kialakítása, az elektromos áramkörökkel való munkavégzés, az elektromos áramkörök összeállítása képességének kialakítása.

Fejlődési - a hibák megtalálásának és megelőzésének képességének fejlesztése az ismeretek gyakorlati alkalmazása során, valamint az új jelenségek logikus magyarázata, ismereteinek alkalmazása nem szabványos helyzetekben.

Oktatási –a figyelem koncentrálásának, a párbeszéd folytatására és a vélemény ésszerű megvédésére való képesség fejlesztése.

Berendezések és anyagok: áramforrások, villanykörte zseblámpához, elektromos csengő, kapcsolók, ólomhuzalok, réz-szulfát oldat, elektromágnes, réz és cink lemezek, kristályrács modell, galvanométer.

TSO : számítógépes bemutató, multimédiás projektor.

Demók:

1) Egyszerű elektromos áramkörök összeszerelése.

2) Réz felszabadulása a réz-szulfát elektrolízise során

3) A tekercs működése árammal olyan, mint egy elektromágnes.

Óraterv.

1. Tudásfrissítés (10 perc).
2. Új anyag „Elektromos áram a fémekben” tanulmányozása (10 perc)

„Az elektromos áram hatásai” (12 perc)

1. Konszolidáció (9 perc)
2. Házi feladat (2 perc)
3. Összegzés (2 perc)

A lecke előrehaladása.

Az óra témájának és célkitűzéseinek ismertetése.

1) Ismeretek frissítése -10 perc.

Sziasztok srácok!

Hogyan élne bolygónk?

Hogyan élnének meg belőle az emberek?

Hő, mágnes, fény nélkül

És az elektromos sugarak.

Ez a négysor az elektromos sugarakat említi. Szerinted mi ez? (villamos áram)

Kérdések:

1. Mit nevezünk elektromos áramnak?
2. Mi szükséges ahhoz, hogy az áramkörben elektromos áram létezzen?

3) Diagramokkal való munka: nevezze meg az elektromos áramkör javasolt fő részeit

Javasolt szimbólumok: elektromos lámpa, kulcs, ampermérő, voltmérő, áramforrás, harangok stb.

4) Most nézzük meg, hogyan látja a szabálytalanságokat az elektromos áramkörök tervezésében.

Ön előtt van két elektromos áramkör, amelyek diagramjai a képernyőn láthatók.

1. Milyen jogsértéseket vett észre? Miért nem világít az első áramkörben lévő működő lámpa, amikor a kulcs le van zárva? Válasz. Az elektromos áramkör megszakadt. Ahhoz, hogy a lámpa világítson, elektromos áramnak kell lennie az áramkörben, és ez egy zárt, csak elektromos vezetőkből álló áramkörben lehetséges.

2) Miben különböznek a vezetők a nem vezetőktől vagy a szigetelőktől? Válasz. A diákok áthidalják a szakadékot. A lámpa világít.

2. Miért nem szól a csengő a második körben, ha az áramkör zárva van? Válasz. Ahhoz, hogy egy vezetőben elektromos áramot hozzon létre, elektromos teret kell létrehozni benne. Ennek a mezőnek a hatására a szabad töltésű részecskék rendezett módon kezdenek mozogni, és ez elektromos áram. A vezetőkben elektromos mező jön létre, amelyet az elektromos térforrások hosszú ideig fenntarthatnak. Az elektromos áramkörnek áramforrással kell rendelkeznie. Csatlakoztatjuk az áramkört egy áramforráshoz, és megszólal a csengő. Az elektromos áram létezéséhez a következő feltételek szükségesek: -------- szabad elektromos töltések jelenléte a vezetőben; - külső elektromos tér jelenléte a vezető számára. A tanuló, áramforrást csatlakoztatva az áramkörhöz, bemutatja a helyes választ.

2. Új dolgok tanulásaanyag „Elektromos áram a fémekben” - 10 perc. 1. dia Óránk témája: „Elektromos áram a fémekben. Az elektromos áram hatásai" Srácok, ki tudja, hogyan kerülheti el az elektromos áram hatásait, ha véletlenül megérint egy feszültség alatt lévő elektromos készüléket? Válasz. Ehhez földelésre van szükség, mivel a föld vezető, és hatalmas méreténél fogva nagy töltést tud tartani. Tanár. Milyen anyagokból készül a földelés? Válasz. A földelés fémből készült. Tanár. Miért részesítik előnyben a fémeket? Erre a kérdésre az „Elektromos áram a fémekben” című új téma tanulmányozása után fogunk válaszolni. Írd le a füzetedbe az óra témáját!

A fém korai definíciói közül a leghíresebbet a 18. század közepén M.V. Lomonoszov: „A fém könnyű test, amely kovácsolható. Csak hat ilyen test létezik: arany, ezüst, réz, ón, vas és ólom. Két és fél évszázaddal később sok minden ismertté vált a fémekről. A fémek az összes elem több mint 75%-át tartalmazzák D. I. Mengyelejev táblázatában.

Ma megismerkedünk a fémek egy fontos tulajdonságával - az elektromos vezetőképességgel. Emlékezzünk vissza a fémek szerkezetére. Demonstráció A kristályrács modelljeit a fémek szerkezeti modelljének képe vetíti a képernyőre.

A fém modellje egy kristályrács, melynek csomópontjaiban a részecskék kaotikus oszcillációs mozgást végeznek.

A szilárd állapotban lévő fémek kristályos szerkezetűek. A kristályokban lévő részecskék meghatározott sorrendben helyezkednek el, és egy térbeli (kristályos) rácsot alkotnak. Mint már tudjuk, bármely fémben a vegyértékelektronok egy része elhagyja helyét az atomban, aminek eredményeként az atom pozitív ionná alakul. A pozitív ionok a fémkristályrács csomópontjain helyezkednek el, és a köztük lévő térben szabad elektronok (elektrongáz) mozognak, azaz. nem kapcsolódnak atomjaik magjához.
Az összes szabad elektron negatív töltése abszolút értékben egyenlő az összes rácsion pozitív töltésével. Ezért normál körülmények között a fém elektromosan semleges.
Milyen elektromos töltések mozognak elektromos tér hatására a fémvezetőkben?A szabad elektronok elektromos tér hatására mozognak. Ennek a ténynek a végső megerősítése az a kísérlet volt, amelyet hazánk fizikusai, L. I. Mandelstam és N. D. Papaleksi, valamint B. Stewart és R. Tolman amerikai fizikusok végeztek 1913-ban. Nézze meg a képet a képernyőn

A tudósok egy többfordulatú tekercset nagyon gyorsan forogtak a tengelye körül. Ezután a tekercs éles fékezésével a végeit a galvanométerhez csatlakoztatták, és a készülék rövid távú elektromos áramot rögzített. Az előfordulás oka, amelyet a szabad töltésű részecskék tehetetlenségi mozgása okoz a fémkristályrács csomópontjai között. Mivel a kezdeti sebesség iránya és a keletkező áram iránya tapasztalatból ismert, a hordozók töltésének előjele megtalálható: negatívnak bizonyul. Következésképpen a fémben lévő szabad töltéshordozók szabad elektronok. A galvanométer tűjének eltérítése alapján meg lehet ítélni az áramkörben áramló elektromos töltés mértékét. A tapasztalatok megerősítették az elméletet. Megtörtént a klasszikus elektromosság-elmélet diadala.Az elektromos áram a fémvezetőkben a szabad elektronok rendezett mozgása elektromos tér hatására
Ha nincs elektromos tér a vezetőben, akkor az elektronok véletlenszerűen mozognak, hasonlóan ahhoz, ahogy a gázok vagy folyadékok molekulái mozognak. Minden egyes időpillanatban a különböző elektronok sebessége eltérő nagyságrendben és irányban. Ha a vezetőben elektromos tér jön létre, akkor az elektronok, fenntartva kaotikus mozgásukat, elkezdenek eltolódni a forrás pozitív pólusa felé. Az elektronok véletlenszerű mozgásával együtt ezek rendezett átvitele – sodródása – is felmerül. Az elektronok rendezett mozgásának sebessége a vezetőben elektromos tér hatására másodpercenként több milliméter, és néha még ennél is kevesebb. De amint elektromos tér keletkezik a vezetőben, az óriási sebességgel, közel a vákuumban lévő fénysebességhez (300 000 km/s) terjed a vezető teljes hosszában.
Az elektromos tér terjedésével egyidejűleg minden elektron egy irányba mozog a vezető teljes hosszában. Így például amikor egy elektromos lámpa áramköre zárva van, a lámpa tekercsében lévő elektronok is szabályosan mozognak.
Ennek megértésében segít az elektromos áram és a víz áramlásának összehasonlítása a vízvezetékben, valamint az elektromos tér eloszlása ​​a víznyomás eloszlásával. Amikor a víz egy víztoronyba emelkedik, a víznyomás (nyomás) nagyon gyorsan terjed az egész vízellátó rendszerben. Amikor kinyitjuk a csapot, a víz már nyomás alatt van, és folyni kezd. De a csapból folyik a víz, ami benne volt, a toronyból pedig jóval később jut el a csapba, mert... A víz mozgása kisebb sebességgel megy végbe, mint a nyomás terjedése.
Amikor az elektromos áram terjedési sebességéről beszélünk egy vezetőben, az elektromos tér terjedési sebességét értjük a vezető mentén.
Például a Moszkvából Vlagyivosztokba vezető vezetékeken (s = 8000 km) küldött elektromos jel körülbelül 0,03 másodpercen belül megérkezik. És most továbbléphet a külvilág megértésére. Elkészítettük az elektromos áramot fémekben. Térjünk át a következő blokkra: „Az elektromos áram hatásai”

Új anyag tanulmányozása „Az elektromos áram hatása”Nem láthatunk elektronokat mozgó fémvezetőben. Az áramkörben lévő áram jelenlétét az elektromos áram által okozott különféle jelenségek alapján tudjuk megítélni. Az ilyen jelenségeket aktuális cselekvéseknek nevezzük.

Az áram termikus hatása.Programlemez Fizika órák 8. évfolyam. Cirill és Metód virtuális iskolája

Az áram kémiai hatása.Az elektromos áram kémiai hatását először 1800-ban fedezték fel Tapasztalat. Végezzünk kísérletet réz-szulfát oldattal. Helyezzen két szénelektródát desztillált vízbe, és zárja le az áramkört. Megfigyeljük, hogy a lámpa nem világít. Vegyünk egy réz-szulfát oldatot, és csatlakoztatjuk egy áramforráshoz. Kigyullad az elektromos lámpa.Következtetés. KémiaiAz áram hatása az, hogy egyes savak (sók, lúgok) oldataiban, amikor elektromos áram halad át rajtuk, anyagok felszabadulását figyeljük meg. Az oldatban lévő anyagokat az ebbe az oldatba merített elektródákra helyezik. Amikor áramot vezetünk át réz-szulfát oldaton (CuSO 4 ) tiszta réz (Cu) szabadul fel a negatív töltésű elektródán. Ezt tiszta fémek előállítására használják. Elektrolízissel alumíniumot és tiszta kémiai fémeket állítanak elő, nikkelezést, krómozást és aranyozást végeznek. A fémek korrózió elleni védelme érdekében felületüket gyakran nehezen oxidálható fémekkel vonják be, azaz nikkelezést vagy krómozást végeznek. Ezt a folyamatot galvanizálásnak nevezik. Srácok, milyen módszereket ismernek a fémek korrózió elleni védelmére?

Az áram mágneses hatása. Tapasztalat.Egy vasmagos tekercset kapcsolunk egy áramkörhöz, és megfigyeljük a fémtárgyak vonzását. Az áram mágneses hatásának felhasználása galvanométerekben. Galvanométer. Sematikus kijelölésA tanult anyag konszolidációja. Kérdések egy új témában. TOA kínai filozófus, Konfuciusz egyszer azt mondta: „Jó a természetes tehetség, de a testmozgás, barátaim, többet ad nekünk, mint a természetes tehetség.” Egy orosz közmondás azt mondja: „A tanulás mindig hasznos.”1) Miért nem szabad puszta kézzel megérinteni a csupasz elektromos vezetékeket? (A kézen lévő nedvesség mindig tartalmaz különféle sók oldatát, és elektrolit. Ezért jó érintkezést hoz létre a vezetékek és a bőr között.)

Házi feladat. P. 34,35L. No. 1260, 1261. Készítsen üzenetet az „Alumínium”, „Arany”, „Vas” fémekről

A szilárd állapotban lévő fémek kristályos szerkezetűek.
A fém modellje egy kristályrács, melynek csomópontjaiban a részecskék kaotikus oszcillációs mozgást végeznek.

Figyel!

A pozitív ionok a kristályrács csomópontjaiban helyezkednek el. A szabad elektronok a köztük lévő térben mozognak.

Az összes szabad elektron negatív töltése abszolút értékben egyenlő az összes rácsion pozitív töltésével. Ezért normál körülmények között a fém elektromosan semleges. A szabad elektronok véletlenszerűen mozognak benne. Ha elektromos mezőt hoz létre egy fémben, akkor a szabad elektronok elkezdenek irányítani (rendezett), azaz. elektromos áram keletkezik. Az elektronok véletlenszerű mozgása azonban megmarad.

Figyel!

A fémekben az elektromos áram a szabad elektronok rendezett mozgása.

Mekkora az elektronok sebessége egy vezetőben elektromos tér hatására? Kicsi - csak néhány milliméter másodpercenként, és néha még kevesebb.
Ha egy vezetőben elektromos tér keletkezik, az óriási sebességgel terjed a vezető teljes hosszában (közel a fénysebességhez - 300 000 km/s), ugyanakkor az elektronok a teljes hosszon egy irányban mozognak. a karmesteré.
Kísérletek igazolták, hogy a fémekben az áramot elektronok okozzák. Mandelstam és Papaleksi kísérletét 1916-ban hajtották végre. A kísérlet célja annak ellenőrzése volt, hogy az elektromos áram hordozójának, az elektronnak van-e tömege. Ha egy elektronnak tömege van, akkor be kell tartania a mechanika törvényeit, különösen a tehetetlenség törvényét. Például, ha egy mozgó vezetőt élesen lefékeznek, akkor az elektronok egy ideig tehetetlenséggel ugyanabba az irányba mozognak.
Ehhez a teszthez a kutatók megforgattak egy tekercset, amelynek árama folyt, majd hirtelen leállították. A keletkező áramlökést telefonnal rögzítettük.
A telefonokban lévő áramra kattintva Mandelstam és Papaleksi megállapította, hogy az elektronnak van tömege. De ezt a tömeget nem tudták megmérni. Ezért ez az élmény kiváló minőségű. Később Tolman és Stewart amerikai fizikusok ugyanazt az ötletet használva, hogy forgatnak egy tekercset, megmérték az elektron tömegét. Ennek érdekében megmérték a töltést, amely a tekercs fékezésekor megjelenik a kapcsain.

Az elektromos áram nemcsak fémekben, hanem más közegekben is létezhet: félvezetőkben, gázokban és elektrolit oldatokban. Az elektromos töltéshordozók különböző környezetekben eltérőek.

Figyel!

Így az elektrolitok (sók, savak és lúgok) oldataiban a hordozók pozitív és negatív ionok, gázokban - pozitív és negatív ionok, valamint elektronok. A félvezetőkben a töltéshordozók elektronok és lyukak (a lyuk egy feltalált részecske, amely a vezetőképesség mechanizmusát magyarázza; valójában ez egy szabad tér, amelyet nem foglal el elektron).

A félvezető eszközök félvezetőkből készülnek. Íme néhány közülük:

A félvezetők alacsony hőmérsékleten nem vezetnek elektromos áramot, pl. dielektrikumok. A hőmérséklet emelkedésével az elektromos töltéshordozók száma nő, és a félvezető vezetővé válik. Miért történik ez? Az atom külső héján elhelyezkedő vegyértékelektronok szabaddá válnak, és elektromos tér hatására elektromos áram keletkezik a félvezetőben. Hasonló folyamat megy végbe egy félvezetőben is, ha fénynek, szennyeződéseknek stb.
A félvezetők elektromos vezetőképességének változása a hőmérséklet hatására lehetővé teszi, hogy hőmérőként használják őket.

A félvezetők elektromos vezetőképességének fény hatására bekövetkező változását a fotoellenállásokban használják. Jelzésre, gyártási folyamatok távvezérlésére, illetve alkatrészek válogatására használják. Vészhelyzetekben lehetővé teszik a gépek és szállítószalagok automatikus leállítását, megelőzve ezzel a baleseteket.

Történelmileg a következőket fogadták el:

Az áram iránya egybeesik a vezetőben lévő pozitív töltések mozgási irányával.

Ezenkívül, ha az egyetlen áramhordozó negatív töltésű részecskék (például elektronok egy fémben), akkor az áram iránya ellentétes az elektronok mozgási irányával.

Az áram vezetéken való áthaladását a következő műveletek kísérik:

Mágneses (minden vezetőnél megfigyelhető).

Ezzel a tulajdonsággal megkeresheti a fázisvezeték szakadásának helyét olyan eszközökkel, amelyek reagálnak az elektromágneses mező változásaira, például egy fázisérzékelővel ellátott jelzőcsavarhúzóval.

Ha egy drótkeretet, amelyen áram folyik, egy mágnes pólusai közé helyeznek, akkor az forogni kezd. Ezt a jelenséget galvanométerben használják.

A galvanométertű egy mágneses térben elhelyezett mozgó tekercshez csatlakozik. Amikor áram folyik át a tekercsen, a tű eltérül. Így galvanométer segítségével megállapíthatjuk, hogy van áram az áramkörben. Az áram mágneses hatása az anyag aggregációs állapotától függetlenül nyilvánul meg. Amikor a kulcs le van zárva, megfigyelheti, hogy a szögre tekercselt huzal hogyan kezdi vonzani a kis vastárgyakat.

Ebben a leckében megtudjuk, miért fordul elő elektromos áram a fémekben, és elmagyarázzuk, hogy a fémek miért jó vezetők. Emellett tanulmányozni fogjuk az elektromos áram hatásait és irányát. Megnézzük Rikke kísérletét, amely megerősíti, hogy a fémvezető gyakorlatilag nem változik, amikor elektromos áram folyik rajta, megtudjuk, hogy az áram mely hatásait használja leginkább a technika és a mindennapi életben, és azt is megértjük, miért az áram iránya nem esik egybe az elektronok mozgási irányával.

Téma: Elektromos jelenségek

Lecke: Elektromos áram a fémekben. Az elektromos áram hatásai. Jelenlegi irány

Az előző leckéken az elektromos áram előfordulásával kapcsolatos szinte valamennyi fogalmat tanulmányoztuk: elektromos töltések, elektromos tér, áramforrások, egyszerű elektromos áramkörök és elektromos áramkörök. Most azt kell megtudnunk, hogyan folyik az elektromos áram a fémekben, milyen hatásai vannak az elektromos áramnak, valamint az áram irányát.

A fémek, amint az előző leckékben végzett kísérletekből kiderült, jól vezetik az elektromosságot. Ennek a ténynek a tisztázása érdekében tegyük fel a kérdést: mik azok a fémek?

A fémek általában polikristályos anyagok (sok kristályból állnak) (1., 2. ábra).

Rizs. 2. Vas szerkezete ()

Vagyis a fémekben az atomok rendezett szerkezetével van dolgunk: minden atom a saját meghatározott helyén van.

Mint már tudjuk, az elektronok az atommag körül mozognak.

Mi teszi lehetővé az ingyenes elektromos töltések megjelenését?

A helyzet az, hogy a távoli elektronok (azok, amelyek az atommagtól legtávolabbi pályán vannak) meglehetősen gyengén kötődnek az atommaghoz. Ezért könnyen átjuthatnak egyik atomról a másikra. Az elektronok véletlenszerű mozgása némileg egy elektrongázra emlékeztet. Ha a fém belsejében nincs elektromos tér, akkor ezeknek a szabad elektronoknak a mozgása némileg egy nyári napon a levegőbe emelt szöcskeraj mozgására emlékeztet (3. ábra).

Rizs. 3. Elektronok mozgása fémvezetőben ()

Minden megváltozik, amikor elektromos mező jelenik meg a fém belsejében. Az elektromos tér hatására a töltött részecskék elmozdulnak. Az atommagok a helyükön maradnak, de az elektronok rendezett mozgásba kezdenek.

Az elektronok egyik atomról a másikra ugrálva abba az irányba mozognak, amerre az elektromos mező mutatja őket. Ezt a mozgást az ún elektromos áram a fémekben.

Tudjuk, hogy az elektromos áram a töltött részecskék irányított, rendezett mozgása. A fémekben a töltött részecskék mozgatásának szerepe az elektronok. Más anyagokban ezek lehetnek ionok vagy ionok és elektronok.

A töltött részecskék mozgása (fémekben - elektronokban) nagyon lassan történik (milliméter per másodperc). Felmerül a kérdés: miért gyullad ki szinte azonnal a villanykörte, ha megnyomjuk a kapcsolót?

A helyzet az, hogy az elektromos mező hatalmas sebességgel terjed a vezetők belsejében (fénysebességgel - körülbelül 300 000 kilométer per másodperc).

Amikor az áramkör zárva van, a mező szinte azonnal terjed. És a mezőt követve az elektronok lassan és egyszerre kezdenek mozogni az egész áramkörben. Ez a helyzet a víz mozgásához hasonlítható a vízvezetékben. A víz nyomás hatására a csövekben mozgásra kényszerül, ami a csap kinyitásakor szinte azonnal szétterül, amitől a csaphoz „legközelebbi” víz kiömlik. Ugyanakkor az összes víz ugyanazon nyomás alatt mozog a csöveken keresztül. Kiderült, hogy a nyomás az elektromos mező analógja, a víz pedig az elektronok analógja. Amint az elektromos tér működése leáll, az elektromos töltések rendezett mozgása azonnal leáll.

Felmerül egy logikus kérdés: megváltozik-e a vezető attól a ténytől, hogy az elektronok „elhagyták”? Rikke német tudós (4. ábra) végzett kísérletet annak igazolására, hogy minden elektron azonos, amikor három különböző vezetőt használtak a villamosvonalakon: alumíniumot és két rézt.

Rizs. 4. Karl Victor Rikke ()

Rikke egy évet töltött három vezető soros kapcsolásának megfigyelésével: réz + alumínium + réz. Mivel a villamosvonalakon elég nagy áram folyik, a kísérlet lehetővé tette számunkra, hogy egyértelmű választ adjunk: vajon azonosak-e a különböző vezetőkben negatív töltéshordozók?

Egy év leforgása alatt a vezetők tömege nem változott, diffúzió nem történt, vagyis a vezetékek szerkezete változatlan maradt. Ebből az következett, hogy az elektronok átjuthatnak egyik vezetőből a másikba, de szerkezetük nem változik.

Most beszéljünk az elektromos áram hatásáról. Hogyan terjedt el a mindennapi életben és a technológiában?

Az elektromos áramnak három fő hatása van:

1. Termikus. Amikor átmegy az áram, a vezető felmelegszik. Ez az ember által használt áram egyik legfontosabb hatása. A legegyszerűbb példa néhány háztartási fűtés (5. ábra).

Rizs. 5. Elektromos fűtés ()

2.Kémiai. Egy vezető megváltoztathatja kémiai összetételét, amikor áram halad át rajta. Különösen elektromos áram segítségével egyes fémeket tiszta formában vonnak ki, elkülönítve azokat a különféle vegyületektől. Így például alumíniumot állítanak elő (6. ábra).

Rizs. 6. Alumíniumkohó elektrolízisműhelye ()

3. Mágneses. Ha áram folyik át egy vezetőn, akkor az ilyen vezető közelében lévő mágneses tű megváltoztatja a helyzetét.

Most beszéljünk róla az elektromos áram iránya.

Az elektromos áram irányát a pozitív elektromos töltések mozgási irányának tekintjük.

De éppen arról beszéltünk, hogy a fémekben az áramot negatív töltésű elektronok mozgatják. Miért merül fel ilyen ellentmondás?

Amikor felmerült az elektromos áram irányának kérdése, még senki sem tudott az elektronok létezéséről. Úgy döntöttek, hogy feltételezzük, hogy az áram a pozitív töltések mozgásának irányába mozog. Telt-múlt az idő, a tudósok rájöttek, hogy az elektronok különösen a fémekben mozognak, de úgy döntöttek, hogy mindent úgy hagynak, ahogy van. Ez annak köszönhető, hogy a töltés jele gyakorlatilag nem érdekel bennünket, sokkal inkább maga az áramlat működése.

Az elektronok mozgása egy vezetőben ellentétes az elektromos tér irányával (7. ábra).

Rizs. 7. Elektronok mozgása egy vezetőben ()

Ebben a leckében megtudtuk, hogyan folyik az áram a fémekben, megismertük az elektromos áram hatásait, és meghatároztuk az áram irányát is.

A következő leckében elkezdjük megismerkedni az áram numerikus jellemzőivel.

Hivatkozások

1. Gendenshtein L. E., Kaidalov A. B., Kozhevnikov V. B. Fizika 8 / Szerk. Orlova V. A., Roizena I. I. - M.: Mnemosyne.
2. Peryshkin A.V. Fizika 8. - M.: Túzok, 2010.
3. Fadeeva A. A., Zasov A. V., Kiselev D. F. Fizika 8. - M.: Oktatás.

További pajánlott hivatkozások az internetes forrásokhoz

1. Pedagógiai ötletek fesztiválja „Nyílt lecke” ().
2. Pedagógiai ötletek fesztiválja „Nyílt lecke” ().

Házi feladat

1. P. 34-36, kérdések 1-4, 81. o., 1-7, 83. o., 1-3.
2. Milyen eszközök használják az áram hőhatását? Mágneses hatás?
3. Milyen hatásai figyelhetők meg az áramlásnak, ha az áramot átvezetjük a tengervízen?