Электрический ток в различных средах кратко. Тема урока "электрический ток в различных средах"

«Физика - 10 класс»

Наиболее просты количественные закономерности для электрического тока в металлах и электролитах.

Задачи на закон Ома, который выполняется для этих проводников, были приведены в главе 15. В данной главе преимущественно рассматриваются задачи на применение закона электролиза. Кроме того, при решении некоторых задач надо использовать формулу (16.1) для зависимости сопротивления металлических проводников от температуры.

Задача 1.

Проводящая сфера радиусом R = 5 см помещена в электролитическую ванну, наполненную раствором медного купороса. Насколько увеличится масса сферы, если отложение меди длится t - 30 мин, а электрический заряд, поступающий на каждый квадратный сантиметр поверхности сферы за 1 с, q = 0,01 Кл? Молярная масса меди М = 0,0635 кг/моль.

Р е ш е н и е.

Площадь поверхности сферы S = 4πR 2 = 314 см 2 . Следовательно, заряд, перенесённый ионами за t = 30 мин = 1800 с, равен Δq = qSt = 0,01 Кл/(см 2 с) 314 см 2 1800 с = 5652 Кл. Масса выделившейся меди равна:

Задача 2.

При электролизе, длившемся в течение одного часа, сила тока была равна 5 А. Чему равна температура выделившегося атомарного водорода, если при давлении, равном 10 5 Па, его объём равен 1,5 л? Электрохимическии эквивалент водорода

Р е ш е н и е.

По закону Фарадея масса m выделившегося водорода:

Из уравнения Менделеева-Клапейрона где R - универсальная газовая постоянная, М - молярная масса атомарного водорода, определим массу водорода, полученного при электролизе:

Из выражений (1) и (2) определим температуру:

Задача 3.

При никелировании изделия в течение 1 ч отложился слой никеля толщиной l = 0,01 мм. Определите плотность тока, если молярная масса никеля М = 0,0587 кг/моль, валентность n = 2, плотность никеля

Р е ш е н и е.

Согласно закону электролиза Фарадея масса выделившегося на катоде никеля

где m = ρV = ρlS, а I = jS, где S - площадь покрытия никелем; F - постоянная Фарадея, Подставив выражения для массы никеля и силы тока I в формулу (1), получим откуда

Задача 4.

Определите электрическую энергию, затраченную на получение серебра массой 200 г, если КПД установки 80%, а электролиз проводят при напряжении 20 В. Электрохимический эквивалент серебра равен

Р е ш е н и е.

Энергия, идущая только на электролиз, равна

Согласно закону Фарадея m = kq, откуда

Подставив выражение для q в формулу (1), получим

Полная затраченная энергия W э связана с W" э выражением следовательно,

Задача 5.

Объясните, почему при дуговом разряде при увеличении силы тока напряжение уменьшается.

Р е ш е н и е.

При увеличении силы тока возрастает термоэлектронная эмиссия с катода, носителей заряда становится больше, а следовательно, сопротивление промежутка между электродами уменьшается. При этом уменьшение сопротивления происходит быстрее, чем увеличение силы тока (в газах нарушается линейный закон Ома U = IR), поэтому напряжение уменьшается.

Задача 6.

Покажите, что при упругом столкновении электрона с молекулой электрон передаёт ей меньшую энергию, чем при абсолютно неупругом ударе.

Р е ш е н и е.

При прямом абсолютно упругом столкновении электрона с молекулой выполняются законы сохранения энергии и импульса:

где m e и m - массы электрона и молекулы; υ 1 и υ 2 - их скорости после столкновения. Решая эту систему относительно υ 1 и υ 2 , получаем

Энергия, передаваемая молекуле Так как m e << m, то можно записать, что (m e + m) 2 ≈ m 2 . Тогда

Из полученного выражения следует, что молекуле передаётся очень маленькая часть первоначальной энергии электрона, так как m e << m.

При неупругом столкновении выполняется только закон сохранения импульса m e υ 0 = (m + m e)υ, и, таким образом, электрон теряет энергию

Так как m e << m, мы можем считать, что дробь в скобках равна нулю, откуда т. е. при неупругом столкновении электрон полностью передаёт свою энергию молекуле.

Одним из основных свойств электрического тока, является его способность к проводимости в разных условиях. Степень проводимости для каждого случая отличается между собой. Поэтому, когда изучается электрический ток в различных средах, таблица помогает наглядно представить, какими качествами он обладает в том или ином случае. Все вещества, в соответствии с их электрической проводимостью, разделяются на несколько основных категорий.

Металлы, как проводники электрического тока

При прохождении электрического в металлах, существенных изменений не наблюдается, за исключением обязательного нагрева. Металлы отличаются высокой концентрацией электронов, влияющих на уровень проводимости. Происходит их постоянное движение с высокой скоростью.

В узлах кристаллических решеток металлов располагаются положительные ионы, производящие тепловые колебания. В промежутках между ними происходит движение свободных электронов, которым придается ускорение с помощью электрического поля.

Движение электрического тока в полупроводниках

Полупроводники обладают собственными свойствами, влияющими на проводимость. Основой их является р-п переход. Повышение температуры вызывает увеличение удельного сопротивления вещества. При этом, возрастает количество свободных электронов, на месте которых остаются виртуальные заряды, называемые дырками.

Поэтому, основной особенностью электрического тока в полупроводниках, является движение не только свободных электронов, но и дырок. При росте температуры, проводимость увеличивается из-за резкого снижения сопротивления.

Жидкость и газ - эффективные проводники

Всем известно, что дистиллированная вода не является проводником. Однако, если опустить в нее хотя-бы один кристалл обычной соли, произойдет замыкание цепи. Это вызвано появлением в воде свободных носителей зарядов. Происходит явление электролитической диссоциации, когда молекулы распадаются на ионы под воздействием растворителя. Такие жидкие проводники, где содержатся подвижные носители зарядов, называются электролитами.

Газы в обычном состоянии, как и дистиллированная вода, также являются , поскольку содержат нейтральные молекулы и атомы. Все эти частицы не имеют зарядов и придают газам высокие изолирующие свойства. Для того, чтобы газ стал проводником, в нем необходимо присутствие заряженных частиц в виде свободных носителей зарядов.

Как правило, проводниками являются ионизированные газы с положительными и отрицательными ионами. Проводимость в газах может быть создана самостоятельно, или путем искусственного внесения в них заряженных частиц.

Цель урока:

Обобщить и систематизировать знания учащихся об электрическом токе в различных средах путем анализа опытов, демонстрирующих проводимость в различных средах, выявить природу носителей зарядов в средах, сравнить зависимости сопротивления различных сред от температуры, сопоставить вольтамперные характеристики приборов.

Применять знания об основных положениях электродинамики для объяснения электропроводимости различных сред.

Оборудование :

1. вольтметр, амперметр, выпрямитель, лампочка,
2. таблицы:
   “Электрический ток в вакууме”,
   “Электрический ток в полупроводниках”.

Обобщение знаний:

1. Опыты, демонстрирующие электропроводимость различных сред.
2. Носители электрических зарядов в различных средах.
3. Вольтамперные характеристики приборов.
4. Зависимость сопротивления металлов, электролитов, газов и полупроводников от температуры.
5. Практическое применение тока в различных средах.
6. Задание на дом.

Сегодня на уроке мы с вами вспомним закономерности прохождения тока в различных средах, сравним физическую природу тока в них и механизм образования свободных носителей тока.

На столе у каждого ученика лежит заготовленная таблица, которую необходимо заполнить во время урока. (Приложение 1.)

Вспомним, какие опыты помогли установить электропроводность металлов – Мандельштама и Папалекси. (Ученики поясняют схему постановки опыта, учитель на доске рисует эту схему.)

Рис.1

Какие опыты мы проводили, чтобы показать электропроводимость жидкостей и газов?

(Ученики поясняют схемы соответствующих опытов, учитель делает зарисовки схем опытов, учащиеся аналогичную работу проводят в тетрадях.)

Рис.2

(Ученик поясняет опыт, учитель чертит схему.)

(Полупроводники от металлов можно отличить по характеру зависимости их проводимости от температуры. Если температура полупроводника повышается, то его сопротивление уменьшается. Если собрать цепь из источника тока, полупроводникового терморезистора и амперметра, то можно заметить, что показания амперметра будут увеличиваться при нагревании терморезистора.)

Итак, носители зарядов в различных средах:

(В металлах свободными носителями зарядов являются свободные электроны, в жидкостях – положительные и отрицательные ионы, в газах – ионы и электроны, в полупроводниках – электроны и дырки (или свободные и связанные электроны).)

Какова концентрация свободных носителей зарядов в разных средах? От чего она зависит?

(В металлах концентрация электронов 10 22 – 10 23 см -3 остается почти постоянной при разных температуpax, в жидкостях концентрация ионов зависит от содержания в водном растворе кислот, солей и щелочей, т. е. от концентрации самих растворов. В газах концентрация ионов и электронов определяется свойствами самого ионизатора. В вакууме концентрация электронов в электронном облаке повышается при увеличении температуры нити накала и, кроме того, в значительной мере зависит от оксидного покрытия катода.

В полупроводниках концентрация носителей определяется наличием примесей, создающих преимущественно электронную или дырочную проводимость, и зависит от температуры и освещенности полупроводника.)

Задаю ряд дополнительные вопросы:

1. Почему в отличие от металлического проводника характеристика диода нелинейная?

2. Когда наступает явление насыщения тока? От чего зависит сила тока насыщения?

Итак, мы убедились, что изучение вольтамперных характеристик позволяет сделать важные выводы о прохождении тока в различных средах.

Можно ли по виду вольтамперных характеристик сделать какие-либо выводы о сопротивлениях сред? Обратите внимание: одни характеристики являются линейными, другие – нет.

(Вольтамперные характеристики для металлов и электролитов показывают прямую пропорциональную зависимость силы тока от напряжения, потому что сопротивление проводников постоянно. Нелинейность других характеристик показывает, что сопротивление изменяется.)

Какова зависимость сопротивления сред от температуры? От каких факторов зависит сопротивление?

(Ученики отвечают. У металлов и жидкостей сопротивление при постоянной температуре не изменяется с ростом напряжения; кроме того, оно прямо пропорционально длине проводника, удельному сопротивлению и обратно пропорционально поперечному сечению. Различие в том, что сопротивление металлов с повышением температуры увеличивается, а у жидкостей, наоборот, уменьшается.)

(На демонстрационном столе собрана электрическая цепь, состоящая из выпрямителя, амперметра, вольтметра и электрической лампы: 10 Вт, 220 В)

Измеряем напряжение на выходе выпрямителя, учащиеся следят за показаниями приборов. Показания приборов (значения силы тока и напряжения) записываются в таблицу

U,В	0	1	7	20	38	58	90
I,А	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1	1,2

Как можно объяснить такую зависимость?

(Так как при увеличении напряжения и силы тока растет температура нити накала лампы и сопротивление ее увеличивается, то зависимость силы тока от напряжения нелинейная.

Учащиеся рассказывают об использовании металлических проводников, о технических применениях электролиза и различных типов газового разряда, поясняют устройства вакуумного диода и электроннолучевой трубки, приводят примеры полупроводниковых приборов. Во время рассказа учащиеся используют учебные таблицы.)

Мы еще раз убедились, что объяснить эти явления можно с точки зрения электронной теории. Мы упоминали о таком явлении, которое нельзя объяснить классической электронной теорией. Напомните это явление.

(Это явление сверхпроводимости.)

Обратимся еще раз к таблице. (Приложение 2) В верхней строчке ее отражены опыты, с помощью которых мы выяснили природу свободных носителей электрических зарядов. Затем мы рассматривали основные положения электронной теории, объясняющие причины возникновения носителей зарядов, а также вольтамперные характеристики. Далее выяснили, от чего зависят сопротивления сред. Завершили тему изучением вопросов о техническом применении электрического тока в различных средах. Приборы, технические устройства и другие примеры практического применения тока в различных средах основаны на использовании выводов и следствий электронной теории. Таким образом, экспериментально подтверждается истинность теоретических следствий, а следовательно, и самой теории.

Заключение:

После повторения всех вопросов плана и заполнения таблицы учащиеся еще раз просматривают материал и делают вывод о том, в какой последовательности развивались научные знания об электрическом токе в различных средах.

Для развития познавательной активности школьников проводится демонстрационный эксперимент. По его результатам строится график зависимости силы тока от напряжения. Учащиеся сравнивают полученную характеристику тока, проходящего через лампу накаливания, с другими, рассмотренными ранее.

Задание на дом: Итоги гл.10, стр.200

Литература:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика: Учеб. Для 10 кл. сред. шк.– 3-е изд.-М.; Просвещение,1994.
2. П.И. Самойленко, Е.И. Огородникова, Г.И. Рябоволов. – М.; “Высшая школа”, 1984.
3. Современный урок физики в средней школе/ В.Г. Разумовский, Л.С. Хижнякова, А.И. Архипова и др. – М.; Просвещение,1983.

Электрический ток в металлах

Металлы являются хорошими проводниками электричества. Это обусловлено их внутренним строением. У всех металлов внешние валентные электроны слабо связаны с ядром, и при объединении атомов в кристаллическую решетку эти электроны становятся общими, принадлежащими всему куску металла.

Носителями заряда в металлах являются электроны .

Электроны в металлах при помещении их в электрическое поле движутся с постоянной средней скоростью, пропорциональной напряженности поля.

Зависимость сопротивления проводника от температуры

При повышении температуры у электронов проводимости увеличивается скорость теплового движения, что приводит к увеличению частоты столкновений с ионами кристаллической решетки и, тем самым, к росту сопротивления.

Сверхпроводимость - явление резкого уменьшения до нуля сопротивления проводника при охлаждении до критической температуры (зависящей от рода вещества).

Сверхпроводимость - это квантовый эффект. Объясняется он тем, что при низких температурах макроскопическое число электронов ведут себя как единый объект. Они не могут обмениваться с кристаллической решеткой порциями энергии, меньшими их энергии связи, поэтому рассеивания тепловой энергии не происходит, что и означает отсутствие сопротивления.

Такое объединение электронов возможно при образовании ими бозонных (куперовских) пар - коррелированного состояния электронов с противоположными спинами и импульсами.

Эффект Мейснера - вытеснение магнитного поля из сверхпроводника. Внутри проводника в сверхпроводящем состоянии циркулируют незатухающие токи, создающие магнитное поле, противоположное внешнему. Сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость.

Электрический ток в жидкостях

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества

Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода и превращаются в нейтральные атомы, оседающие на катоде. Ионы хлора, достигнув анода, отдают по одному электрону. Хлор выделяется на аноде в виде пузырьков.

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году (закон Фарадея )

m - масса выделившегося в результате электролиза чистого вещества

k - электрохимический эквивалент вещества

Здесь N A - постоянная Авогадро, M = m 0 N A - молярная масса вещества,
F = eN A =96485 Кл/моль - постоянная Фарадея

Постоянная Фарадея численно равна заряду, который необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества

Закон Фарадея для электролиза

Электрический ток в газах

При обычных условиях все газы являются диэлектриками, то есть не проводят электрического тока. Этим свойством объясняется, например, широкое использование воздуха в качестве изолирующего вещества. Принцип действия выключателей и рубильников как раз и основан на том, что размыкая их металлические контакты, мы создаем между ними прослойку воздуха, не проводящую ток.

Однако при определенных условиях газы могут становиться проводниками. Например, пламя, внесенное в пространство между двумя металлическими дисками (см. рисунок), приводит к тому, что гальванометр отмечает появление тока. Отсюда следует вывод: пламя, то есть газ, нагретый до высокой температуры, является проводником электрического тока.

Нагревание - не единственный способ превращения газа в проводник. Вместо пламени можно использовать ультрафиолетовое или рентгеновское излучение, а также поток альфа-частиц или электронов. Опытами установлено, что действие любой из этих причин приводит к ионизации молекул газа.

Прохождение тока через газы называют газовым разрядом. Только что мы рассмотрели пример так называемого несамостоятельного разряда. Он так называется потому, что для его поддержания требуется какой-либо ионизатор - пламя, излучение или поток заряженных частиц. Опыты показывают, что если ионизатор устранить, то ионы и электроны вскоре воссоединяются (говорят: рекомбинируют), вновь образуя электронейтральные молекулы. В результате газ перестает проводить ток, то есть становится диэлектриком.

Самостоятельная и несамостоятельная проводимость газов

Для того чтобы сделать газ проводящим, нужно тем или иным способом внести в него или создать в нем свободные носители заряда - заряженные частицы. При этом возможны два случая: либо эти заряженные частицы создаются действием какого-нибудь внешнего фактора или вводятся в газ извне - несамостоятельная проводимость, либо они создаются в газе действием самого электрического поля, существующего между электродами - самостоятельная проводимость.

В случае несамостоятельной проводимости, при небольших значениях U график имеет вид прямой, т.е. закон Ома приближенно сохраняет силу; с ростом U кривая загибается с некоторого напряжения и переходит в горизонтальную прямую.

Это означает, что начиная с некоторого напряжения, ток сохраняет постоянное значение, несмотря на увеличение напряжения. Это постоянное, не зависящее от напряжения значение силы тока называют током насыщения.

Несамостоятельный газовый разряд - разряд, существующий только под действием внешних ионизаторов.

При увеличении напряжения возникает ударная ионизация - явление выбивания электронов из нейтральных молекул - число носителей заряда увеличивается лавинообразно. Возникает самостоятельный разряд.

Самостоятельный газовый разряд - разряд, существующий после удаления внешних ионизаторов.

Процессы, влияющие на проводимость газов

Термическая ионизация - при столкновении нейтральных атомов происходит выбивание электронов и превращение атомов в положительные ионы
Ионизация излучением (фотоионизация) - распад атома на электрон и положительный ион под действием света
Ионизация электронным ударом - выбивание ускоренным электроном из атома электрона с образованием положительного иона
Вторичная электронная эмиссия с катода - выбивание положительными ионами электронов из катода
Термоэлектронная эмиссия - излучение нагретым металлом электронов

Тлеющий разряд: При давлении газа в несколько десятых миллиметра ртутного столба разряд имеет типичный вид, схематически изображённый на рис. Это ток в ионизированном газе, а точнее сказать в низкотемпературной плазме. Тлеющий разряд образуется при прохождении тока через разряженный газ. Как только напряжение превосходит определённое значение, газ в колбе ионизирует и происходит свечение. Это уже по сути электрический ток не столько в газе, сколько в плазме. Цвет свечения газа (плазмы) зависит от вещества газа.

Искровой разряд: При достаточно большой напряженности поля (около 3 МВ/м) между электродами появляется электрическая искра, имеющая вид ярко светящегося извилистого канала, соединяющего оба электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры и внезапно расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный треск. Происходит при обычных условиях, при обычном атмосферном давлении, точно также как и тлеющий разряд происходит в следствие ионизации газа, но при высоком напряжении, в отличии от дугового разряда, где в первую очередь важна высокая плотность тока.

Коронный разряд: происходит в сильном электрическом поле с высокой напряжённостью, достаточной, чтобы вызвать ионизацию газа (или жидкости). Электрическое поле при этом бывает не однородным, где-то напряжённость значительно больше. Образуется градиент (различие) потенциалов поля и там где потенциал больше, ионизация газа идёт сильнее, интенсивнее, затем поток ионов доходит до другой части поля, тем самым образуя поток электричества. В результате образуется коронный газовый разряд причудливых форм, в зависимости от геометрии проводников — источников напряжённости поля.

Дуговой разряд: представляет собой электрический пробой газа, которой в дальнейшем становится постоянным плазменным разрядом — дугой, образуется электрическая дуга. Дуговой разряд характеризуется более низким напряжением, чем тлеющий разряд. Поддерживается в основном за счёт термоэлектронной эмиссии, когда из электродов высвобождаются электроны. Старое название такой дуги «вольтовая дуга». Отличительной особенностью такой дуги является высокая плотность тока и низкое напряжение, которое ограничено источником тока. Для того, чтобы создать такую дугу, электроды сближаются, происходит пробой, а затем они раздвигаются.