Тема урока: Электрический ток в металлах

Электрический ток в металлах. Действия электрического тока. Направление тока.

Как в металлах происходит движение электрических зарядов?

Металл - как правило, это поликристаллические вещества (состоящие из множества кристаллов.)

То есть, в металлах мы имеем дело с упорядоченной структурой атомов: каждый атом находится на своём конкретном месте.

Вокруг ядра атомов движутся электроны .

Что же даёт возможность появления свободных электрических зарядов?

Дело в том, что дальние электроны (те, которые находятся на самых удалённых от ядра орбитах) довольно слабо связаны с ядром. Поэтому они могут довольно легко переходить от одного атома к другому. Такое беспорядочное движение электронов чем-то напоминает электронный газ. Если внутри металла нет электрического поля, то движение этих свободных электронов чем-то напоминает движение поднятого в воздух роя мошкары в летний день

Всё изменяется, когда внутри металла появляется электрическое поле. Электрическое поле заставляет двигаться заряженные частицы. Ядра атомов остаются на месте, а вот электроны начинают упорядоченно двигаться.

Электроны, перескакивая от одного атома к другому, движутся в том направлении, куда им указывает электрическое поле. Это движение и называется  электрическим током в металлах .

Мы знаем, что электрический ток – это направленное, упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах в роли движущихся заряженных частиц выступают  электроны . В других веществах это могут быть ионы или ионы и электроны.

Движение заряженных частиц (в металлах – электронов) происходит очень медленно (доли миллиметров в секунду). Возникает вопрос: почему же, когда мы нажимаем на выключатель, лампочка загорается практически мгновенно?

Дело в том, что внутри проводников с огромной скоростью (со скоростью света – приблизительно 300 000 километров в секунду) распространяется электрическое поле.

При замыкании цепи поле распространяется практически мгновенно. А уже вслед за полем начинают медленно двигаться электроны, причём сразу по всей цепи. Эту ситуацию можно сравнить с движением воды в водопроводе. Воду заставляет двигаться давление в трубах, которое при открытии крана распространяется практически мгновенно, заставляя «ближайшую» к крану воду выливаться. При этом по трубам движется вся вода под этим самым давлением. Получается, что давление – это аналог электрического поля, а вода – аналог электронов. Как только прекращается действие электрического поля, сразу прекращается упорядоченное движение электрических зарядов.

Опыт Рикке

Возникает логичный вопрос: а не изменяется ли проводник из-за того, что из него «ушли» электроны?

Опыт по подтверждению того, что все электроны одинаковые, был проведён немецким учёным Рикке тогда, когда на трамвайных линиях использовали три разных проводника: алюминиевый и два медных.

Рикке в течение года наблюдал за последовательным соединением трёх проводников: медь + алюминий + медь. Поскольку ток в трамвайных линиях течёт довольно большой, то эксперимент позволял дать однозначный ответ: одинаковы ли электроны, которые являются носителями отрицательного заряда в разных проводниках.

За год масса проводников не изменилась, диффузии не произошло, то есть структура проводников осталась неизменной. Из этого следовал вывод, что электроны могут переходить из одного проводника в другой, но структура их при этом не изменится.

Поговорим теперь о том, какое действие оказывает электрический ток. За счёт чего он получил такое широкое применение в быту и технике?

Действия электрического тока.

Работа в группах

1. Тепловое.

  При прохождении тока проводник нагревается. Это одно из самых главных действий тока, которое используется человеком. Самый простой пример – некоторые бытовые обогреватели.

Действия электрического тока.

2. Химическое. 

Проводник может изменять химический состав при прохождении по нему тока. В частности, при помощи электрического тока добывают некоторые металлы в чистом виде, выделяя их из различных соединений. К примеру, таким образом получают алюминий

Действия электрического тока.

3.  Магнитное.

  Если по проводнику течёт ток, то магнитная стрелка вблизи такого проводника изменит своё положение.

Действия электрического тока.

4. Физиологическое. 

Действия электрического тока.

5. хххххххххх 

В 1745 г. голландский ученый Питер Мушенбрек (1692 – 1761) разослализ Лейдена сообщения об эксперименте, который вошел под специальным названием «лейденского опыта».

«Я делал некоторые исследования над электрической силой, - писал Мушенбрек, - и для этой цели подносил на двух шелковых шнурах железный прут и передавал ему электричество от стеклянного шара, который приводился в быстрое вращение и натирался прикосновением рук…

Вдруг моя правая рука была поражена с такой силой, что всё тело содрогнулось, как от удара молнии». «Я не согласился бы подвергнуться ещё раз такому испытанию даже за королевский трон Франции».

Винклер, повторивший опыт Мушенбрека, после удара получил сильные конвульсии и кровотечение из носа.

В 1786 г. итальянский анатом и физиолог Луиджи Гальвани решил изучить действие атмосферного электричества на мышцы лягушки. Для этого он прикрепил к нерву лапки свежепрепарированной лягушки медный кручок, после чего подвесил лапку к железной решетке забора. Однако никакого действия атмосферы не последовало. И лишь тогда под порывами ветра лапка случайно коснулась решетки забора, её мускулы резко содрогнулись. Лапка сократилась потому, что через неё прошёл электрический ток, возникающий благодаря контакту двух проводников из разных металлов.

НАПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

За направление электрического тока принимается направление движения положительных электрических зарядов.

Но только что мы говорили о том, что ток в металлах создают движущиеся электроны, которые имеют отрицательный заряд.

Почему же возникает такое противоречие?

Когда возник вопрос о направлении электрического тока, ещё никто не знал о существовании электронов. Было решено считать, что ток движется в направлении движения положительных зарядов. Прошло время, учёные выяснили, что в металлах, в частности, движутся электроны, но было решено оставить всё в прежнем виде. Это связано с тем, что знак заряда нас практически не интересует, гораздо больше нас интересует само действие тока.

Движение электронов в проводнике противоположно направлению электрического поля.