Разработка по теме "Электрический ток в различных средах" для учащихся 10 класса

В настоящее время у современных школьников наблюдается уменьшение интереса к изучению физики. Это можно объяснить сложностью предмета, уменьшением количества часов на изучение, переходом на концентрическую систему преподавания материала. С каждым годом усложняется и содержание КИМов к ЕГЭ, что тоже влияет на выбор ученика не в пользу физики.

Но наряду с этим многие ВУЗы ввели физику в перечень вступительных экзаменов.. Я думаю, что многим учащимся придется пересмотреть свое отношение к данному предмету.

Задача педагога так преподнести материал, чтобы он был понятен и доступен, вызывал интерес к изучению. Сейчас, когда компьютер занял свое прочное место в школе и стал эффективным техническим средством для организации и проведения уроков. Считаю, что новые информационные технологии, применяющиеся методически грамотно, помогут развитию интереса учащихся к изучению физики.

Физика – это тот предмет, где наглядность играет важную роль в становлении научного мировоззрения учащихся. Прав автор пословицы «Лучше один раз увидеть, чем 100 раз услышать». Ученики, привыкшие воспринимать информацию в виде “красивых картинок”, лучше воспримут яркий, наглядный материал, чем просто лекцию учителя.

Наличие компьютера и мультимедийного проектора в нашем кабинете физики позволяют мне разнообразить урок, продемонстрировать те явления и процессы, которые представить ребятам сложно, компьютерные демонстрации могут заменить недостающие опыты для правильного восприятия темы учениками. Компьютер позволяет не только моделировать явления, но и изменять условия протекания процессов, что позволяет детально понять и изучить явления.

Прекрасно с данной задачей можно справиться, используя простую программу из пакета Microsoft Office - PowerPoint.

Я представляю серию презентаций, которые мне помогают в проведении уроков физики при изучении темы «Электрический ток в различных средах» для учащихся 10 класса.

Целью создания данного электронного пособия является применение информационных технологий для активизации познавательных интересов учащихся в изучении физики.

Задачи:

- усовершенствование процесса изучения нового материала;

- активизация познавательного интереса к изучению предмета;

- повышение качества знаний по предмету.

На изучение темы «Электрический ток в различных средах» в тематическом планировании отводится 6 часов.

Презентации:

1. Электрический ток в металлах.

Доказательства электронной природы тока в металлах. Основы электронной теории электропроводности металлов. Явление сверхпроводимости.

1. Электрический ток в вакууме.

Понятие вакуума, условия существования тока в вакууме. Вакуумный диод. Электронные пучки и их свойства. Электронно-лучевая трубка. Применение.

1. Электрический ток в полупроводниках.

Сведения о полупроводниках. Проводимость полупроводников: электронно-дырочная, электронная, дырочная.

1. Электронно-дырочный переход и его применение.

Образование р-n перехода. Подключение р-n перехода к источнику тока. Полупроводниковый диод. Полупроводниковый прибор с двумя р-n переходами, принцип работы, применение.

1. Электрический ток в электролитах.

Электролиты. Природа электрического тока в растворах и расплавах электролитов. Явление электролиза. Закон Фарадея.

1. Электрический ток в газах.

Электрический разряд в газах. Ионизация газов. Несамостоятельный разряд. Различные типы самостоятельных разрядов, условия их возникновения. Молния. Плазма. Техническое применение прохождения электрического тока в газах.

Проектируя презентации, я усовершенствую процесс передачи знаний по изучению нового материала. Учащиеся получают последовательную информацию более насыщенно, наглядно и вследствие этого она становится более доступной и позволяет пробудить интерес к изучаемой теме.

Презентация позволяет мне не просто читать лекцию, но вести беседу с учащимися. Задавая вопросы по теме, актуализируя знания учащихся, полученные ранее по другим предметам. Побуждаю учащихся высказывать предположения (Как вы думаете, что произойдет с удельным сопротивлением проводника, если температуру уменьшать?), анализировать получаемую информацию, сравнивать (Чем отличается проводимость металлов и вакуума?), обобщать, делать выводы. Беседа активизирует учащихся, развивает их память и речь, делает открытыми знания учащихся.

Использование презентаций на уроках способствует лучшему усвоению учебного материала, повышается активность учеников на уроке. Учащиеся имеют возможность не только услышать формулировку нового понятия, но и прочитать ее на экране, то есть задействую для восприятия нового не только слух, но и зрение ученика.

Эксперты давно заметили по результатам многочисленных экспериментов отчетливую связь между методом, с помощью которого учащийся осваивал материал, и способностью вспомнить (восстановить) этот материал в памяти. Например, только четверть услышанного материала остается в памяти. Если учащийся имеет возможность воспринимать этот материал зрительно, то доля материала, оставшегося в памяти, повышается до одной трети. При комбинированном воздействии (через зрение и слух) доля усвоенного материала достигает половины, а если вовлечь учащегося в активные действия в процессе изучения, то доля усвоенного может составить 75%. Презентации рассчитаны на любой тип восприятия информации. На одном слайде может находиться наиболее запоминающаяся информация для каждой категории учащихся (визуалов, аудиалов, кинестетиков).

После использования данных презентаций на уроках физики в 10 классе, провела анкетирование учащихся. Анализ анкет показал, что учащиеся лучше относятся к восприятию лекции учителя, сопровождаемой презентацией, чем использование электронных пособий с речью диктора, объясняющего материал или самостоятельное изучение нового по электронному учебнику.

Изучение каждой темы заканчивалось выполнением учащимися теста, содержащего 10 вопросов (тесты прилагаются). Анализ результатов тестирования по темам показал повышение качества знаний учащихся:

1. Электрический ток в металлах.

2. Электрический ток в вакууме.

3. Электрический ток в полупроводниках.

4. Электрический ток в электролитах.

5. Электрический ток в газах.

Таким образом, изложение теоретического материала в виде презентации - это популярная форма работы. И самое важное в том, что использовать такой вариант изложения просто, он не требует от учителя особых навыков, но сказывается на повышении качества знаний учащихся.

По результатам опроса учащихся 10 класса физику собираются сдавать 4 ученика.

Тест по теме «Электрический ток в электролитах»

1. Электрическая проводимость водных растворов электро­литов обусловлена:

A. Положительными ионами.

Б. Отрицательными и положительными ионами и электронами.

B. Положительными и отрицательными ионами.

2. Могут ли при диссоциации в электролитах образоваться ионы одного какого-нибудь знака?

А. Да. Б. Нет. В. В зависимости от вида раствора.

3. До каких пор будет продолжаться процесс электролиза медного купороса, если взять угольные электроды?

A. Пока не растворится анод.
Б. Пока не растворится катод.

B. Пока из раствора не уйдут все ионы меди (в ванне оста­нется серная кислота).

4. Каков знак потенциала анода и катода?

A. Анод «-», катод «-».
Б. Анод «+»,катод «+».

B. Анод «+»,катод «-».
Г. Анод «-»,катод «+».

5. От чего зависит электропроводность растворов электроли­тов?

A. От числа ионов, приходящихся на единицу объема, и от их подвижности.

Б. От силы тока.

B. От расстояния между электродами и их площади.

6. Укажите неверный ответ.

А. Жидкости могут быть диэлектриками, проводниками, по­лупроводниками.

Б. Все жидкости являются электролитами.

В. Растворы солей, щелочей, кислот и расплавленные соли, обладающие электрической проводимостью, называются электролитами.

7. Установите соответствие:

А. Электролитической диссоциацией называется...

Б. Рекомбинацией называется...

В.Электролизом называется...

1.Процесс выделения на электродах веществ, входящих в состав электролита.

2.Объединение ионов разных знаков в нейтральные молекулы.

3.Образование положительных и отрицательных ионов при растворении веществ в жидкости под действием электрического тока.

8. Электрохимический эквивалент никеля равен 0,304 мг/Кл. Что это значит?

А.0,304 мг - атомная масса одного иона никеля.

Б. 0,304 мг никеля выделяется при прохождении одного кулона через раствор.

В. Для выделения 1 мг никеля нужно пропустить через раствор 0,304 Кл.

9. Собрана последовательная цепь из двух ванн: с раствором азотокислого серебра и раствором сернокислой меди. Что можно сказать о массах серебра и меди, выделившихся при прохождении электрического тока?

А. Серебра выделится больше.

Б. Меди выделится больше.

В. Выделяются одинаковые массы серебра и меди.

10. Почему вы так считаете? (см. вопрос 9)

А. Молярная масса меди больше молярной массы серебра.

Б. Электрохимический эквивалент серебра больше электрохимического эквивалента меди.

В. Через раствор сернокислой меди проходит больший за­ряд, чем через раствор азотнокислого серебра, так как медь двухвалентна.

Г. При последовательном соединении сила тока одинакова на всех участках цепи.

Ответы: 1 – В; 2 – Б; 3 – В; 4 – В; 5 – А; 6 – Б; 7 – А3, Б2, В1; 8 – Б; 9 – А; 10 – Б.

Тест по теме «Электрический ток в газах»

1. Под действием ионизатора газ становится проводником; заряженный электроскоп, стоящий рядом, начинает быстро разряжаться. Почему после удаления ионизатора разряд прекращается?

A. Ионизатор разрядил электроскоп.

Б. В результате рекомбинации заряженные частицы быстро исчезают, пре­вращаясь в нейтральные атомы, газ становится непроводником.

B. В газе будет только одноименный заряд.

2. Почему для уменьшения потерь электроэнергии на коронный разряд в линиях электропередач высокого напряжения применяют провода возможно большего диаметра?

A. Напряженность поля вблизи поверхности проводника увеличивается.
Б. Напряженность поля вблизи поверхности проводника не меняется.

B. Напряженность поля вблизи поверхности проводника уменьшается.

3. Какой вид разряда имеет место в лампах дневного света? Назовите но­сители зарядов при этом разряде.

А.Тлеющий: электроны, ионы газа и паров ртути.

Б. Коронный: электроны, ионы газа.

В. Искровой: электроны, ионы газа.

4. Как зависит проводимость газов от давления?

A. Не зависит.

Б. Чем больше давление, тем больше проводимость.

B. Чем больше давление, тем меньше проводимость.

5. Какие физические явления используются для ионизации газа?

1. Увеличение температуры. 2. Рентгеновские лучи. 3. Уменьшение давле­ния.

4. Радиоактивность. 5. Ультрафиолетовое излучение.

А. 1,2,3,5. Б. 1,2,4,5. В 1,2,3.

6. Сила тока насыщения в газе зависит:

1. От приложенного напряжения.

2. Действия ионизатора.

3. Объема между электродами.
   А. 1. Б. 1,2. В. 2,3.

7. Плоский конденсатор, значение напряжения на котором близко к про­бойному, отсоединили от источника тока. Наступит ли пробой, если пластины начать сближать?

А. Наступит. Б. Не наступит.

В. Наступит, если пластины сближать с большой скоростью.

8. Коронный разряд поддерживается за счет.

A. Ионизирующего излучения.
Б. Термоэлектронной эмиссии.

B. Высокой температуры газа.

Г. Высокой напряженности электрического поля.

9. Может возникнуть ток насыщения при самостоятельной проводимости газа?

А. Нет. Б. Да.

10. Установите соответствие:

А. Электролитическая диссоциация -

Б. Термоэлектронная эмиссия-

В. Ионизация-

1.Процесс испускания электронов нагретым телом.

2.Процесс распада молекул на положительные ионы и электроны.

3. Процесс распада молекул на положительные и отрицательные ионы.

Ответы: 1 – Б; 2 – В; 3 – А; 4 – В; 5 – Б; 6 – В; 7 – Б; 8 – Г; 9 – А; 10 – А3,Б1,В2

Тест по теме «Электрический ток в металлах»

1. Какими носителями создается электрический ток:

а) в металлах

б) в газах

A. а - только электронами; б - положительными и отрицательными ионами.
Б. а - только электронами; б) - положительными и отрицательными ионами и электронами.

B. а - электронами и положительными ионами; б) - только электронами.

2. Какое минимальное количество электричества может быть перенесено электрическим
током через газ, раствор электролита и через металл?

A. Может быть перенесено любое сколь угодное малое.

Б. Через газ любое, через раствор электролитов и металл 1,6 • 10^-19 Кл.

B. Возможен перенос 1,6 • 10^-19 Кл.

3. Опыты Мандельштама - Папалекси, Стюарта - Томлена, Рикке подтвердили, что проводимость в металлах:

А. Электронная. Б. Ионная. B. Электронно-ионная.

4. При увеличении температуры проводимость металла:

A. Увеличивается. Б. Уменьшается. B. Не меняется.

5. Какой из графиков соответствует зависимости удельного сопротивления металлов от температуры?

6. Электрическая проводимость металлов обусловлена

A. Положительными ионами. Б. Свободными электронами. B. Отрицательными ионами.

7. Если создать хороший контакт между медной и алюминиевой пластиной и пропускать ток в течение года, изменится ли масса брусков?

A. m _Al - увеличится. Б. m_Cu - уменьшится. B. Масса брусков не изменится.

8. Электроны в металлах ведут себя, как молекулы из газа. Как изменится ток в проводнике, к которому приложено напряжение, если увеличить температуру проводника?

A. Увеличится. Б. Уменьшится. B. Не изменится.

9. Как известно, электроны в металлах участвуют в двух движениях: тепловом и упорядоченном. Скорость, какого движения больше?

A. Теплового. Б. Упорядоченного. B. Почти равны.

10. Электрическое сопротивление вольфрамовой нити при 0⁰С равно 3,6 Ом. Найдите сопротивление при температуре 2700 К.

А. 55,5 Ом; Б. 45,5 Ом; В. 35,5 Ом

Ответы:

1 – Б; 2 – В; 3 – А; 4 – Б; 5 – В; 6 – Б; 7 – В; 8 – Б; 9 – А; 10 – Б.

Электрический ток в электролитах

Цель :

• Цель :

Разъяснить физическую природу электропроводности жидких проводников, осуществить вывод закона электролиза в свете электронных представлений

План :

• План :

• Электролиты.Природа электрического тока в растворах и расплавах электролитов.
• Явление электролиза. Закон Фарадея.

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

1. Электролитами называют проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества.

К электролитам относятся соединения металлов и полупроводников в расплавленном состоянии. Основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований .

Электролитическая диссоциация – это распад молекул электролита на ионы под действием электрического поля.

Cl

Na

Cl

Na

Na

Cl

Na

Na

Cl

Cl

Интенсивность электролитической диссоциации зависит:

а) от температуры раствора; б) от концентрации раствора; в) от рода раствора (диэлектрической проницаемости)

Cl

Na

Na

Na

+ -

Cl

+ -

Рекомбинация – это объединение ионов разных знаков в нейтральные молекулы.

Cl

Na

Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях.

Положительные ионы движутся к отрицательному электроду ( катоду ), отрицательные ионы – к положительному электроду ( аноду ).

2. Электролиз это процесс выделения вещества на электродах при прохождении электрического тока через электролит.

Закон Фарадея.

Масса вещества, выделившегося на электроде за время t при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и времени.

Электрический ток в газах

Цель:

• Цель:

Сформировать представление об электрическом токе в газах; ознакомить учащихся с проявлениями в природе , связанными с прохождением электрического тока в газах.

• Сформировать представление об электрическом токе в газах; ознакомить учащихся с проявлениями в природе , связанными с прохождением электрического тока в газах.

План

1. Электрический разряд в газах.

2. Ионизация газов. Несамостоятельный разряд.

3. Различные типы самостоятельных разрядов, условие возникновения.

Тлеющий разряд.

Дуговой разряд.

Коронный разряд.

Искровой разряд.

4. Молния.

5. Плазма.

6. Техническое применение прохождения электрического тока в газах.

1. Электрический разряд в газах

В естественном состоянии газ диэлектрик. В обычных условиях в газе почти нет свободных носителей заряда, движение которых могло бы создать электрический ток.

Для того чтобы газ стал проводящим , необходимо создать в нем свободные заряженные частицы, т.е. превратить нейтральные молекулы (или атомы) в ионы.

Укрепим две металлические пластины параллельно друг другу, соединим одну со стержнем, а вторую с корпусом электрометра и сообщим им разноименные заряды.

Электрометр не разряжается. Через воздух между пластинами при небольших значениях напряжения электрический ток не проходит. Для возникновения тока необходимо действие внешнего излучения.

2. Ионизация газа. Несамостоятельный разряд.

Внесем в пространство между пластинами пламя спиртовки, и электрометр быстро разрядится. Под воздействием пламени газ стал проводником электрического тока. Повышение температуры газа делает его проводником электричества.

Распад молекул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газа.

Нейтральные атомы или молекулы газа могут ионизоваться, т.е. приобретать электрический заряд, под воздействием ряда факторов. Факторы, вызывающие ионизацию газа, называются ионизаторами.

Таким образом электрический ток в газах- это направленное движение положительных ионов и свободных электронов.

Процесс протекания тока через газы называется электрическим разрядом в газах.

Прохождение электрического тока через газы при постоянном воздействии на газ внешнего ионизатора представляет собой несамостоятельный разряд.

При изменении напряжения между электродами, сила тока через газ возрастает не пропорционально напряжению и рост тока замедляется. При достижении определенного напряжения рост тока вообще прекращается и при дальнейшем изменении напряжения, ток остается постоянным, не зависящим от напряжения.

Такой ток называют током насыщения .

Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов, то сила тока затем станет резко возрастать, ионизатор можно убирать, разряд не нуждается во внешнем ионизаторе.

Разряд, происходящий без внешнего ионизатора называется самостоятельным.

3. Различные типы самостоятельных разрядов,

условия возникновения.

С ростом напряжения между электродами увеличивается и кинетическая энергия носителей тока в газе. При достаточно высоком напряжении эта энергия становится настолько большой, что в момент столкновения движущегося электрона с нейтральной молекулой газа в результате удара она может потерять свой электрон и превратиться в положительный ион.

Как положительные ионы так и электроны движутся в поле с одинаковой напряженностью, но длина свободного пробега электрона во много больше длины свободного пробега положительного иона. Следовательно основную роль в ударной ионизации играют свободные электроны

Это явление называют ударной ионизацией .

Тлеющий разряд

Для получения тлеющего разряда удобно использовать стеклянную трубку, содержащую два металлических электрода .

Этот вид разряда удобно наблюдать, если расстояние между электродами трубки около 0,5 м, а разность потенциалов – около тысячи вольт.

Оказывается, что при нормальном атмосферном давлении в трубке разряда нет.

При уменьшении давления газа примерно до 40-50 мм. рт. ст. в трубке наблюдается узкий светящийся шнур; при давлении около 0,5мм.рт.стразряд сплошь заполняет трубку, причем положительный столб у анода разбивается на ряд слоев – страт.

При давлении около 0,02 мм. рт. ст. свечение в трубке пропадает, но ярко начинает светиться стекло против катода. Возникает электрический разряд.

Самостоятельный разряд, возникающий в газе

при пониженном давлении , называют тлеющим.

Дуговой разряд

В 1802 году русский физик Василий Владимирович Петров (1761-1834г.) установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли к соприкосновению, слегка их раздвинуть, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскаляются добела, испуская ослепительный свет (электрическая дуга). Это явление независимо наблюдал английский химик Г. Деви , который предложил в честь А.Вольты назвать эту дугу «вольтовой».

Проводимость газа при газовом разряде значительна и при атмосферном давлении, так как число электронов, испускаемых отрицательным электродом велико. Сила тока в небольшой дуге достигает несколько ампер, а больших дугах – несколько сотен ампер при разности потенциалов всего в 50 В.

Высокая температура катода при горении дуги поддерживается бомбардирующими катод положительными ионами. Газ сильно разогревается. На положительном электроде образуется углубление – кратер. Температура в кратере достигает 4000 0С.

Электрическая дуга может возникнуть не только между угольными , но и между металлическими электродами. Дуговой разряд возникает во всех случаях, когда вследствие разогрева катода основной причиной ионизации становится термоэлектронная эмиссия.

Термоэлектронная эмиссия с катода (вырывание электронов с поверхности металла под действием температуры) возникает в том случае, если катод имеет высокую температуру.

Именно этот процесс обеспечивает дуговой разряд.

Коронный разряд

Возникновение ионной лавины не всегда приводит к искре, а может вызвать и разряд другого типа – коронный разряд.

Коронный разряд представляет собой слабый ток через газ при атмосферном давлении, возникающий под действием неодно­ родного электрического поля, высокой напряженности. Коронный разряд сопровождается слабым свечением газа и тихим шумом.

Коронный разряд наблюдают вблизи заостренных частей проводников в том случае, когда напряженность электрического поля, существующего возле проводника, превышает 3-10 ^ 6 В/м. Причиной, вызывающей коронный разряд, является ударная ионизация газа.

Возможность возникновения коронного разряда необходимо учитывать в любых случаях, когда приходится использовать высокое напряжение. Особенно нежелательно возникновение этого разряда в высоковольтных линиях электропередачи, так как он приводит к потерям электрической энергии . Поэтому в таких линиях принимают специальные меры по предотвращению коронного разряда .

При повышенном напряжении коронный заряд на острие имеет вид светящейся кисти - системы тонких светящихся линий, которые выходят из острия, имеют изгибы и изломы, изменяющиеся с течением времени. Такая разновидность коронного разряда называется кистевым разрядом. Заряженное грозовое облако индуцирует на поверхности Земли под собой электрические заряды противоположного знака. Особенно большой заряд скапливается на остриях. Поэтому перед грозой или во время грозы нередко на остриях и острых углах высоко поднятых предметов вспыхивают похожие на кисточки конусы света. С давних времен это свечение называют огнями святого Эльма.

Особенно часто свидетелями этого явления становятся альпинисты. Иногда даже не только металлические предметы, но кончики волос на голове украшаются маленькими светящимися кисточками. Нередко ледорубы начинают гудеть подобно большому шмелю .

При искровом разряде необходимо создать достаточно сильное поле, чтобы электроны и ионы успевали набрать энергию, необходимую для ионизации нейтральных атомов. Например, чтобы возник самостоятельный разряд при нормальном атмосферном давлении, надо создать напряжение 30 000 В на каждый сантиметр длины силовой линии. Если расстояние между электродами очень мало, искра возникает при напряжениях в несколько вольт или даже долях вольта.

Красивое, но небезопасное явление природы- молния представляет собой искровой разряд в атмосфере.

Уже в середине XVIII века обратили внимание на сходство молнии с электрической искрой. Высказывалось предположение , что облака несут в себе большие электрические заряды и что молния есть гигантская , ничем , кроме размеров, не отличающаяся от искры между шарами электрической машины. На это указывал в свое время русский ученый физик и химик М.В.Ломоносов (1711-1765гг). Ломоносов построил «громовую машину»- конденсатор. Во время грозы можно было из конденсатора рукой извлекать искры.

Таким образом грозовые облака действительно заряжены электричеством. Разные части грозового облака несут заряды различных знаков. Чаще всего нижняя часть облака ( обращенная к Земле) бывает заряжена отрицательно , а верхняя – положительно. Поэтому, если два облака сближаются разноименными частями, то между ними проскакивает молния.

Однако грозовой разряд может пройти иначе. Пройдя над Землей , грозовое облако создает на ее поверхности большие индуцированные заряды, и поэтому облако и поверхность Земли образуют две обкладки большого конденсатора. Разность потенциалов между облаком и Землей достигает огромных значений, в воздухе возникает сильное электрическое поле, происходит пробой, т.е. ударяющая в Землю молния.

Гром , возникающий после молнии, имеет такое же происхождение, как и треск при проскакивании лабораторной искры. Воздух внутри канала молнии сильно разогревается и расширяется, отчего и возникают звуковые волны. Эти волны, многократно отражаясь от облаков, гор, создают длительное эхо – громовые раскаты.

Согласно многочисленным исследованиям, произведенными над молнией, искровой разряд характеризуется следующими показаниями:

Напряжение между облаком и Землей 10 8 В

Сила тока в молнии 10 5 А

Продолжительность молнии 10 - 6 с

Диаметр светящегося канала 10 - 20 см

Молния, гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, проявляющийся обычно яркой вспышкой света и сопровождающим её громом .   Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака.

Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния образуются в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.

Обычно наблюдаются линейные молнии , но есть удивительная и шаровая молния.

5. Плазма

Ионизированный газ при значительной степени ионизации представляет собой особое состояние вещества, отличное от газообразного , жидкого или кристаллического.

Это четвертое состояние вещества называется плазмой.

Плазма –это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.

Высокотемпературная плазма, возникает в результате термической ионизации. Степень ионизации очень велика, благодаря чему она и является хорошим проводником, проводимость высокотемпературной плазмы сопоставима с проводимостью металлов.

Температура поверхности Солнца и звезд равна нескольким тысячам градусов, их недра разогреты до миллионов градусов. Следует, что значительная масса вещества Вселенной сконцентрированная в звездах, находится в состоянии высокотемпературной плазмы.

6. Техническое применение

Тлеющий разряд применяется в газоразрядных трубках, неоновых лампах, цифровых индикаторах, лампах дневного света.

Дуговой разряд применяется в ртутных лампах высокого давления, при сварке металлов, в электроплавильных печать.

Искровой разряд , длится тысячные доли секунды при высоком напряжении и применяется при обработке металлов.

Коронный разряд применяется в электрофильтрах для очистке газов от твердых частиц. Отрицательно то, что данный разряд вызывает утечку энергии на высоковольтных линиях

Низкотемпературная плазма (Т=103 К) находит применение в газоразрядных источниках света — в светящихся трубках для рекламных надписей, в лампах дневного света. В последних стеклянную трубку покрывают специальным составом — люминофором, который под действием излучения плазмы сам начинает светиться. Люминофор подбирают таким, чтобы его свечение было близко по составу к белому свету.

Газоразрядную плазму используют во многих приборах, например в газовых лазерах — квантовых источниках света.

Электрический ток в металлах

Цель :

• Цель :

Выяснить физическую природу электрической проводимости металлов с точки зрения электронной теории, определить понятие сверхпроводимости.

План :

• План :

• Доказательства электронной природы тока в металлах.
• Основы электронной теории электропроводности металлов.
• Явление сверхпроводимости.

1 . Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля .

в опытах с инерцией электронов.

Идея таких опытов и первые качественные результаты (1913 г.) принадлежат русским физикам

Л. И. Мандельштаму

и Н. Д. Папалекси.

В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением свободных электронов.

Схема опыта Толмена и Стюарта.

Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному гальванометру (Г). Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток. Почему?

Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.

На основании результатов опытов Толмена и Стюарта было установлено, что носители свободного заряда в металлах имеют отрицательный знак, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было установлено, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.

Опыт К. Рикке.

Три предварительно взвешенных цилиндра (два медных и один алюминиевый) Рикке сложил отшлифованными торцами так, что алюминиевый оказался между медными.

Затем цилиндры включили в цепь постоянного тока: через них в течение года проходил большой ток (ток, питающий городскую трамвайную сеть).

За это время через цилиндры прошел электрический заряд 3,5 млн.Кл. Вторичное взвешивание цилиндров, показало, что их масса почти не изменилась.

При исследовании соприкасающихся торцов под микроскопом было установлено, что имеются лишь незначительные следы проникновения металлов (обычная диффузия атомов).

Результаты опыта свидетельствуют о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют .

2. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории .

Согласно этой теории:

- электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ;

- электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла;

- свободные электроны в процессе

их хаотического движения сталкиваются

не между собой, а с ионами кристаллической

решетки;

- при столкновении электронов с

ионами электроны передают ионам

свою кинетическую энергию полностью.

Ионы совершают тепловые колебания Свободные электроны движутся хаотично

Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это позволяет оценить среднюю скорость теплового движения электронов по формулам молекулярно-кинетической теории. При комнатной температуре она оказывается примерно равной 10 ^5  м/с.

При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток. Средняя скорость упорядоченного движения электронов в пределах 0,6–6 мм/c.

3. Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. .

При более низких температурах порядка нескольких кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения

Наибольший интерес представляет удивительное явление сверхпроводимости , открытое датским физиком Х. Каммерлинг-Оннесом в 1911 году.

При некоторой определенной температуре T кр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля.

Критическая температура у ртути равна 4,1 К,

у алюминия 1,2 К,

у олова 3,7 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у элементов, но и у многих химических соединений и сплавов. Например, соединение ниобия с оловом (Ni3Sn) имеет критическую температуру 18 К. сверхпроводниками при низких температурах.

Научный интерес к сверхпроводимости возрастал по мере открытия новых материалов с более высокими критическими температурами.

В 1986 году было обнаружено, что у одного сложного керамического соединения T кр = 35 K.

В1987 году физики сумели создать новую керамику с критической температурой 98 К, превышающей температуру жидкого азота (77 К).

Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота, было названо высокотемпературной сверхпроводимостью .

В 1988 году было создано керамическое соединение на основе элементов Tl–Ca–Ba–Cu–O с критической температурой 125 К.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями T кр. Ученые надеются получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если это произойдет, это будет настоящей революцией в науке, технике и вообще в жизни людей .

Электрический ток в полупроводниках

Цель :

• Цель :

Сформировать представление о полупроводниках, о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках.

План :

• План :

• Сведения о полупроводниках.
• Проводимость полупроводников: электронно-дырочная, электронная, дырочная.

1. Полупроводники – вещества, у которых удельное сопротивление резко уменьшается при увеличении температуры.

По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между хорошими проводниками и диэлектриками.

К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений.

Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники.

Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

2. Рассмотрим механизм проводимости полупроводников на примере германия (Ge).

Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре слабо связанных электрона. Их называют валентными электронами .

В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями.

Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной , т. е. осуществляется парами валентных электронов.

Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам.

Валентные электроны в кристалле германия связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов.

Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

При повышении температуры разрываются ковалентные связи, в кристалле появляются свободные электроны .

Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название дырок .

При встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией . Если полупроводник поместить в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы.

Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников

Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью .

Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную.

Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).

Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорной примесью .

В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов.

В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка.

Такая проводимость называется электронной , а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа .

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In).

Атом индия, который с помощью своих валентных электронов создал ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. В ковалентной связи соседних атомов образуются вакантные места (дырки).

Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью .

Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью.

Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа . Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p -типа являются дырки.

Электрический ток в вакууме

Цель :

• Цель :

Сформировать представление о носителях электрического заряда в вакууме.Познакомиться с практическим применением термоэлектронной эмиссии.

План :

• План :

• Понятие вакуума, условия существования тока в вакууме.
• Вакуумный диод.
• Электронные пучки и их свойства.
• Электронно-лучевая трубка. Применение.

1. Вакуум это такое состояние газа, при котором молекулы успевают пролететь от одной стенки до другой, ни разу не испытав соударений друг с другом.

Для создания электрического тока в вакууме необходим источник заряженных частиц.

Таким источником является нагретый катод , он выполняется из тугоплавкого металла и покрывается оксидом стронция, бария и т.д.

термоэлектронная эмиссия

Электроны образуют вокруг катода электронное облако. При подключении электродов к источнику тока между ними возникает электрическое поле.

Если «+» полюс источника соединен с холодным электродом ( анодом ), а «-» - с нагретым ( катодом ), то под действием поля электроны покидают электронное облако и движутся к аноду, возникает электрический ток.

При противоположном включении цепь оказывается разомкнутой. Почему?

2. Односторонняя проводимость используется электронных приборах с двумя электродами – вакуумных диодах

Устройство вакуумного диода:

Внутри баллона из стекла или металлокерамики, из которого откачан воздух до давления 10 ^-6 - 10^-7 мм рт. ст., размещены два электрода.

Один из них - катод имеет вид вертикального металлического цилиндра, покрываемого обычно слоем оксидов щелочно-земельных металлов, например бария, стронция, кальция. Такой катод называют оксидным .

При нагревании поверхность оксидного катода выделяет гораздо больше электронов, чем поверхность катода из чистого металла. Внутри катода расположен изолированный проводник, нагреваемый переменным током. Нагретый катод испускает электроны, достигающие анода, если анод имеет более высокий потенциал, чем катод.

Анод лампы представляет собой круглый или овальный цилиндр, который имеет общую ось с катодом.

Вакуумные диоды применяются для выпрямления переменного электрического тока наряду с полупроводниковыми диодами.

3. Если в аноде электронной лампы сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, пролетит в отверстие, образуя за анодом электронный пучок. Количеством электронов в пучке можно управлять, поместив между катодом и анодом дополнительный электрод и изменяя его потенциал. При взаимодействии с веществом быстрые частицы электронного пучка вызывают разнообразные явления, используемые на практике.

Свойства электронных пучков и их применение:

• Электронный пучок, попадая на тела , вызывает их нагревание . В современной технике это свойство используют для электронной плавки в вакууме сверхчистых металлов.
• При торможении быстрых электронов, попадающих на вещество, возникает рентгеновское излучение . Это свойство используют в рентгеновских трубках.
• Некоторые вещества (стекло, сульфиды цинка и кадмия), бомбардируемые электронами, светятся. В настоящее время среди материалов этого типа (люминофоров) применяются такие, у которых в световую энергию превращается до 25% энергии электронного пучка.

4. Электронные пучки отклоняются электрическим полем . Например, проходя между пластинами конденсатора, электроны отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной.

5. Электронный пучок отклоняется также в магнитном поле.

4. Возможность управления электронным пучком с помощью электрического или магнитного поля и свечение покрытого люминофором экрана под действием пучка применяют в электронно-лучевой трубке.

Электронно-лучевая трубка — основной элемент телевизора и осциллографа, прибора для исследования быстропеременных процессов в электрических цепях.

Электронно-дырочный переход и его применение.

Цель :

• Цель :

Объяснить образование р- n перехода и его практическое применение .

План :

• План :

• Образование р- n перехода.
• Подключение р- n перехода к источнику тока.
• Полупроводниковый диод.
• Полупроводниковый прибор с двумя р- n переходами, принцип работы, применение.

Образование p - n перехода

n p

Объясните по схеме образование запирающего слоя (р- n перехода).

Запирающий слой

Подключение р- n перехода к источнику

Достройте схему подключения р- n -перехода.

Ток через р- n -переход идет.

Такой ток называется прямой ток

Подключение р- n перехода к источнику

Достройте схему подключения р- n -перехода.

Ток через р- n -переход практически не идет.

Такой ток называется обратный ток

Чем обусловлен обратный ток?

Способность р- n -перехода пропускать ток практически только в одном

направлении используется в приборах, которые называются

полупроводниковыми диодами .

из кристаллов кремния или германия.

вплавляют примесь,

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный.

Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого диода.

Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными – малыми размерами, длительными сроками службы, механической прочностью.

Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапазоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.

Т ранзисторы полупроводниковые приборы с двумя р- n -переходами.

базой (Б), коллектором (К), эмиттером (Э).

Включение в цепь транзистора p – n – p - структуры

Оба р- n -перехода транзистора соединяются с двумя источниками тока. Переход «эмиттер–база» включается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора).

Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, так как для основных носителей свободного заряда – электронов в базе и дырок в коллекторе – переход заперт.

При замыкании цепи эмиттера дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в этой цепи ток I э. Но для дырок, попавших в базу из эмиттера, n – p -переход в цепи коллектора открыт. Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и проникает в коллектор, создавая ток I к . Для того, чтобы ток коллектора был практически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень тонкого слоя.

R напряжение, амплитуда которого превышать амплитуду входного сигнала.

Транзистор

радиоэлектронике.

микроэлектроники

Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных элементов – сверхмалых диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе на одном кристалле. Микросхема размером в 1 см ^ 2 может содержать несколько сотен тысяч микроэлементов.

революционным изменениям электронной техники.

Электронно-вакуумные лампы