Электронная теория металлов. Постоянный ток в проводнике.

Цель урока: познакомить учащихся с основными представле­ниями электронной теории металлов, с силой тока и единицами ее измерения.

Демонстрации: условия существования электрического то­ка в проводнике, таблица «Спектр», «Электрический ток. Сила то­ка».

Методические рекомендации: в металлах, где носи­телями тока являются отрицательно заряженные электроны, на­правление тока считается противоположным скорости движения их упорядоченного движения. Интенсивность направленного движе­ния заряженных частиц в проводнике характеризует сила тока. При последовательном соединении большее количество тепла выделя­ется в проводнике с большим сопротивлением, а при параллельном соединении - в проводнике с меньшим сопротивлением.

Ход урока

I. Проверка домашнего задания.

1. Ответы на вопросы после параграфов. (В предыдущем уроке).

2. Проверка решения домашних задач.

II. Изучение нового материала.

Основные представления электронной теории металлов.

83 элемента таблицы Менделеева являются металлами, носите­лями тока в металлах являются свободные электроны. Переноса вещества не происходит, значит, они не принимают участия в про­цессе протекания тока. (Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси, Р. Толмен и Т. Стюарт опытным путем подтвердили предположе­ние о носителях электрического том в металлах).

Основные представления классической электронной теории ме­таллов: 1) Металлы имеют кристаллическую решетку, в узлах кото­рой находятся положительные ионы. Эти ионы совершают неболь­шие колебания около своих положений равновесия. 2) Между узла­ми кристаллической решетки движутся свободные электроны, называемые электронами проводимости. Движение этих электронов происходит по законам классической механики. 3) Движение сво­бодных электронов носит хаотический (беспорядочный) характер. 4) При внешнем поле с напряженностью Е на хаотическое движе­ние накладывается упорядоченное (направленное) движение, дрейф электронов в определенном направлении. , , m — масса электрона, υ — скорость его направленного движения, τ – среднее время свободного пробега (между двумя последовательны­ми столкновениями). 5) Внешнее поле не влияет на концентрацию и τ, , в натрии n = 2,5 × 10²⁸ м^-3, в меди – 8,5 × 10²⁸ м^-3.

Постоянный ток в проводнике.

За направление тока в проводнике принимают то направление, в котором под действием поля должны были бы двигаться положи­тельные заряды. (А.М. Ампер, 1820 г.). Направление тока и элек­трического поля совпадает. Силой тока называется скалярная фи­зическая величина, равная отношению электрического заряда, про­шедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения: . (Заряд, проходящий через поперечное сечение за единицу времени), 1А = 1Кл/1с.

Единица силы тока. За 1 А приняли силу тока, проходящего по двум параллельным бесконечно длинным проводникам ничтожно малого кругового сечения, расположенным в вакууме на расстоянии r = 1 м, если на каждый метр их длины сила взаимодействия между проводниками равна 2 × 10^-7 Н.

Силу тока измеряют амперметром.

Пусть за время Δt через сечение проводника прошло N элек­тронов с зарядом Δq = Ne. Если скорость движения электронов υ, то за время Δt они пройдут расстояние Δl = υΔt и объем V= SΔl. . (N = nV = nSΔl), . В медном проводнике она будет равна 7 · 10^-5 м/с. В 10⁹ раз меньше скорости теплового движения. Если I не меняется - ток постоян­ный и υ = const. Стационарное (Е постоянна) электрическое поле создается движущимися зарядами, оно является потенциальным. Стационарное поле постоянных токов существует и внутри про­водников. Силовые линии внутри проводника направлены парал­лельно его оси, а вне – наклонно к его поверхности.

III. Закрепление.

1) Что такое электрический ток? Направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц.

2) Какой вывод следовал из результатов опыта Рикке? Пропускал ток через алюминиевый, медный и алюминиевый цилиндры в течение года, переноса вещества не происходило.

3) Опишите опыты Мандельштама и Папалекси. При крутильных колебаниях проволочной катушки в ней воз­никал ток, ускоряли движение (отставание частиц) - отклонение стрелки в одну сторону и тормозили (опережение) — в другую.

4) Какие выводы следовали из опытов Стюарта и Толмена? Металлы обладают электронной проводимостью.

5) Изложите основные представления классической электрон­ной теории металлов. Металлы имеют кристаллическую решетку, в узлах которой находятся положительные ионы (колеблются). Между узлами движутся свободные электроны. Хаотический (беспорядочный) характер движения электронов проводимости. Если есть Е_{внешнее}, то на хаотическое движение накладывается направленное движение электронов (два фактора: действие Е_{внешнее} и столкновение с час­тицами). Е_{внешнее} не влияет на n и среднее время свободного пробега.

6) Используя формулы , , напишите уравнение движения электрона в проводнике с током. ma = F_эл + F_с; F_эл = -eE, , отсюда ma = -eE .

7) Что такое концентрация частиц? n = .

8) Что такое сила тока?

9) Каким прибором измеряется сила тока? Амперметром.

10) Выведите формулу скорости направленного движения электронов. V= Sl, Δq = Ne .

11) Какой ток назы­вается постоянным? Который с течением времени не меняется.

12) Что вы можете рассказать об электриче­ском поле постоянного тока? Скорость и напряженность величины постоянные, электрическое поле по­стоянного тока называют стационарным.

13) Используя ответ на вопрос 6, до­кажите, что постоянная скорость дрейфа возможна лишь в элек­трическом поле, напряженность которого также постоянна. ma = -eE . Υ = const. , а = 0, Е = = const.

14) Почему проводник, по которому идет ток, нагревается? В результате столкновений происходит превращение энергии упорядоченного движения электронов в энергию беспорядочного движения час­тиц. Внутренняя энергия возрастает.

15) От чего зависит электрическое сопротивление проводника? От длины проводника, площади поперечного сечения, от времени пробега и концентра­ции электронов.

IV. Решение задач.

Задача 1.

Среднее время разрядов молнии равно 0,002 с. Сила тока в ка­нале молнии составляет около 2 · 10⁴ А. Какой заряд проходит по каналу молнии?

Задача 2.

П о медному проводнику сечением S = 1 мм² течет ток силой I = 1 А. Чему равна при этом средняя скорость и регулярного движе­ния электронов проводимости? Для оценки считать, что каждый атом отдает в «газ» электронов проводимости по одному электрону, q – плотность = 8,9 × 10³ кг/м³ М = 64 × 10^-3 г/моль = 64 × 10^-19 Кл.

Решение: ; n = = =

.

= 7,5

Ответ: υ = 0,0075 мм/с.

V. Итоги урока.

Домашнее задание. § 70-71 (стр. 214-218). Задачи 321 (стр. 344)