Електричний струм у різних середовищах коротко. Тема уроку "електричний струм у різних середовищах"

« Фізика – 10 клас»

Найбільш прості кількісні закономірності для електричного струмув металах та електролітах.

Завдання на закон Ома, який виконується для цих провідників, були наведені в розділі 15. У цьому розділі переважно розглядаються завдання застосування закону електролізу. Крім того, при розв'язанні деяких завдань треба використовувати формулу (16.1) залежно від опору металевих провідників від температури.

Завдання 1.

Провідна сфера радіусом R = 5 см поміщена в електролітичну ванну, наповнену розчином мідного купоросу. Наскільки збільшиться маса сфери, якщо відкладення міді триває t – 30 хв, а електричний заряд, що надходить кожен квадратний сантиметр поверхні сфери за 1 з, q = 0,01 Кл? Молярна маса міді М = 0,0635 кг/моль.

Рішення.

Площа поверхні сфери S = 4πR 2 = 314 см 2 . Отже, заряд, перенесений іонами за t = 30 хв = 1800 с, дорівнює Δq = qSt = 0,01 Кл / (см 2 с) 314 см 2 1800 с = 5652 Кл. Маса міді, що виділилася, дорівнює:

Завдання 2.

При електролізі, що тривав протягом однієї години, сила струму дорівнювала 5 А. Чому дорівнює температура атомарного водню, що виділився, якщо при тиску, що дорівнює 10 5 Па, його об'єм дорівнює 1,5 л? Електрохімічний еквівалент водню

Рішення.

За законом Фарадея маса m водню, що виділився:

З рівняння Менделєєва-Клапейрона де R - універсальна постійна газова, М - молярна маса атомарного водню, визначимо масу водню, отриманого при електролізі:

З виразів (1) та (2) визначимо температуру:

Завдання 3.

При нікелюванні виробу протягом 1 години відклався шар нікелю товщиною l = 0,01 мм. Визначте густину струму, якщо молярна маса нікелю М = 0,0587 кг/моль, валентність n = 2, густина нікелю

Рішення.

Відповідно до закону електролізу Фарадея маса нікелю, що виділився на катоді

де m = ρV = ρlS, а I = jS, де S – площа покриття нікелем; F - постійна Фарадея, Підставивши вирази для маси нікелю та сили струму I у формулу (1), отримаємо звідки

Завдання 4.

Визначте електричну енергію, Витрачену на отримання срібла масою 200 г, якщо ККД установки 80%, а електроліз проводять при напрузі 20 В. Електрохімічний еквівалент срібла дорівнює

Рішення.

Енергія, що йде лише на електроліз, дорівнює

Відповідно до закону Фарадея m = kq, звідки

Підставивши вираз для q у формулу (1), отримаємо

Повна витрачена енергія W е пов'язана з W" е виразом отже,

Завдання 5.

Поясніть, чому при дуговому розряді зі збільшенням сили струму напруга зменшується.

Рішення.

При збільшенні сили струму зростає термоелектронна емісія з катода, носіїв заряду стає більше, отже, опір проміжку між електродами зменшується. При цьому зменшення опору відбувається швидше, ніж збільшення сили струму (у газах порушується лінійний закон Ома U = IR), тому зменшується напруга.

Завдання 6.

Покажіть, що за пружного зіткнення електрона з молекулою електрон передає їй меншу енергію, ніж за абсолютно непружного удару.

Рішення.

При прямому абсолютно пружному зіткненні електрона з молекулою виконуються закони збереження енергії та імпульсу:

де m e і m - маси електрона та молекули; υ 1 і υ 2 – їх швидкості після зіткнення. Вирішуючи цю систему щодо υ 1 і υ 2 , отримуємо

Енергія, що передається молекулі Так як m e<< m, то можно записать, что (m e + m) 2 ≈ m 2 . Тогда

З отриманого виразу випливає, що молекулі передається дуже мала частина початкової енергії електрона, оскільки m e<< m.

При непружному зіткненні виконується лише закон збереження імпульсу m e υ 0 = (m + m e)υ, і, таким чином, електрон втрачає енергію

Оскільки m e<< m, мы можем считать, что дробь в скобках равна нулю, откуда тобто при непружному зіткненні електрон повністю передає свою енергію молекулі.

Однією з основних властивостей електричного струму є його здатність до провідності в різних умовах. Ступінь провідності для кожного випадку відрізняється між собою. Тому, коли вивчається електричний струм у різних середовищах, таблиця допомагає наочно уявити, які якості він має в тому чи іншому випадку. Всі речовини, відповідно до їх електричної провідності, поділяються на декілька основних категорій.

Метали як провідники електричного струму

При проходженні електричного в металах істотних змін не спостерігається, за винятком обов'язкового нагріву. Метали відрізняються високою концентрацією електронів, які впливають рівень провідності. Відбувається їх постійний рух із високою швидкістю.

У вузлах кристалічних ґрат металів розташовуються позитивні іони, що виробляють теплові коливання. У проміжках з-поміж них відбувається рух вільних електронів, яким надається прискорення з допомогою електричного поля.

Рух електричного струму в напівпровідниках

Напівпровідники мають власні властивості, що впливають на провідність. Основою їх є р-п перехід. Підвищення температури спричиняє збільшення питомого опору речовини. У цьому, зростає кількість вільних електронів, дома яких залишаються віртуальні заряди, звані дірками.

Тому основною особливістю електричного струму в напівпровідниках є рух не тільки вільних електронів, а й дірок. При зростанні температури провідність збільшується через різке зниження опору.

Рідина та газ - ефективні провідники

Всім відомо, що вода, що дистилює, не є провідником. Однак, якщо опустити в неї хоча б один кристал звичайної солі, станеться замикання ланцюга. Це спричинено появою у воді вільних носіїв зарядів. Відбувається явище електролітичної дисоціації, коли молекули розпадаються іони під впливом розчинника. Такі рідкі провідники, де містяться рухомі носії зарядів, називають електролітами.

Гази у звичайному стані, як і дистильована вода, також є , оскільки містять нейтральні молекули та атоми. Всі ці частинки немає зарядів і надають газам високі ізолюючі властивості. Для того, щоб газ став провідником, у ньому потрібна присутність заряджених частинок у вигляді вільних носіїв зарядів.

Як правило, провідниками є іонізовані гази з позитивними та негативними іонами. Провідність у газах може бути створена самостійно або шляхом штучного внесення в них заряджених частинок.

Мета уроку:

Узагальнити та систематизувати знання учнів про електричний струм у різних середовищах шляхом аналізу дослідів, що демонструють провідність у різних середовищах, виявити природу носіїв зарядів у середовищах, порівняти залежності опору різних середовищ від температури, зіставити вольтамперні характеристики приладів.

Застосовувати знання основні положення електродинаміки пояснення електропровідності різних середовищ.

Устаткування:

вольтметр, амперметр, випрямляч, лампочка,
таблиці:
"Електричний струм у вакуумі",
"Електричний струм у напівпровідниках".

Узагальнення знань:

Досліди, які демонструють електропровідність різних середовищ.
Носії електричних зарядів у різних середовищах.
Вольтамперні властивості приладів.
Залежність опору металів, електролітів, газів та напівпровідників від температури.
Практичне застосування струму у різних середовищах.
Завдання додому.

Сьогодні на уроці ми з вами згадаємо закономірності проходження струму в різних середовищах, порівняємо фізичну природу струму в них та механізм утворення вільних носіїв струму.

На столі кожного учня лежить заготовлена таблиця, яку необхідно заповнити під час уроку. (Додаток 1.)

Згадаймо, які досліди допомогли встановити електропровідність металів – Мандельштама та Папалексі. (Учні пояснюють схему постановки досвіду, вчитель малює цю схему на дошці.)

Рис.1

Які досліди ми проводили, щоб показати електропровідність рідин та газів?

(Учні пояснюють схеми відповідних дослідів, вчитель робить замальовки схем дослідів, учні аналогічну роботу проводять у зошитах.)

Рис.2

(Учень пояснює досвід, вчитель креслить схему.)

(Напівпровідники від металів можна відрізнити за характером залежності їх провідності від температури. Якщо температура напівпровідника підвищується, то його опір зменшується. Якщо зібрати ланцюг із джерела струму, напівпровідникового терморезистора та амперметра, то можна помітити, що показання амперметра збільшуватимуться при нагріванні терморезистора.)

Отже, носії зарядів у різних середовищах:

(У металах вільними носіями зарядів є вільні електрони, у рідинах – позитивні та негативні іони, у газах – іони та електрони, у напівпровідниках – електрони та дірки (або вільні та зв'язані електрони).)

Яка концентрація вільних носіїв зарядів у різних середовищах? Від чого залежить?

(У металах концентрація електронів 10 22 - 10 23 см -3 залишається майже постійною при різних температурах, в рідинах концентрація іонів залежить від вмісту у водному розчині кислот, солей і лугів, тобто від концентрації самих розчинів. У газах концентрація іонів і електронів визначається властивостями самого іонізатора.В вакуумі концентрація електронів в електронній хмарі підвищується при збільшенні температури нитки розжарення і, значною мірою, залежить від оксидного покриття катода.

У напівпровідниках концентрація носіїв визначається наявністю домішок, що створюють переважно електронну або дірочну провідність, і залежить від температури та освітленості напівпровідника.

Задаю низку додаткових питань:

1. Чому на відміну металевого провідника характеристика діода нелінійна?

2. Коли настає явище насичення струму? Від чого залежить сила струму насичення?

Отже, переконалися, що вивчення вольтамперних характеристик дозволяє зробити важливі висновки про проходження струму в різних середовищах.

Чи можна на вигляд вольтамперних характеристик зробити якісь висновки про опори середовищ? Зверніть увагу: одні характеристики є лінійними, інші – ні.

(Вольтамперні характеристики для металів та електролітів показують пряму пропорційну залежність сили струму від напруги, тому що опір провідників постійно. Нелінійність інших характеристик показує, що опір змінюється.)

Яка залежність опору середовищ від температури? Від яких чинників залежить опір?

(Учні відповідають. У металів і рідин опір при постійній температурі не змінюється зі зростанням напруги; крім того, воно прямо пропорційне довжині провідника, питомому опору і обернено пропорційно поперечному перерізу. Відмінність у тому, що опір металів з підвищенням температури збільшується, а у рідин , навпаки, зменшується.)

(На демонстраційному столі зібрано електричний ланцюг, що складається з випрямляча, амперметра, вольтметра та електричної лампи: 10 Вт, 220 В)

Вимірюємо напругу на виході випрямляча, учні стежать показаннями приладів. Показання приладів (значення сили струму та напруги)записуються до таблиці

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

Як можна пояснити таку залежність?

(Оскільки при збільшенні напруги та сили струму зростає температура нитки розжарення лампи та опір її збільшується, то залежність сили струму від напруги нелінійна.

Учні розповідають про використання металевих провідників, про технічні застосування електролізу та різних типів газового розряду, пояснюють пристрої вакуумного діода та електроннопроменевої трубки, наводять приклади напівпровідникових приладів. Під час розповіді учні використовують навчальні таблиці.

Ми знову переконалися, що пояснити ці явища можна з погляду електронної теорії. Ми згадували про таке явище, яке не можна пояснити класичною електронною теорією. Нагадайте це явище.

(Це явище надпровідності.)

Звернемося ще раз до таблиці. (Додаток 2) У верхньому рядку її відображені досліди, з допомогою яких з'ясували природу вільних носіїв електричних зарядів. Потім ми розглядали основні положення електронної теорії, що пояснюють причини виникнення носіїв набоїв, а також вольтамперні характеристики. Далі з'ясували, від чого залежить опору середовищ. Завершили тему вивченням питань про технічне застосування електричного струму у різних середовищах. Прилади, технічні пристрої та інші приклади практичного застосування струму в різних середовищах ґрунтуються на використанні висновків та наслідків електронної теорії. Отже, експериментально підтверджується істинність теоретичних наслідків, отже, і самої теорії.

Висновок:

Після повторення всіх питань плану і заповнення таблиці учні вкотре переглядають матеріал і роблять висновок у тому, як і послідовності розвивалися наукові знання про електричний струм у різних середовищах.

У розвиток пізнавальної активності школярів проводиться демонстраційний експеримент. За його результатами будується графік залежності сили струму від напруги. Учні порівнюють отриману характеристику струму, що проходить через лампу розжарювання, з іншими, розглянутими раніше.

Завдання додому: Підсумки гл.10, стор.200

Література:

Мякішев Г.Я., Буховцев Б.Б.Фізика: Навч. Для 10 кл. середовищ. шк.- 3-тє вид.-М.; Просвітництво,1994.
П.І. Самойленко, Є.І. Огороднікова, Г.І. Рябоволів.- М.; "Вища школа", 1984.
Сучасний урок фізики у середній школі/ В.Г. Розумовський, Л.С. Хіжнякова, А.І. Архіповата ін – М.; Просвітництво,1983.

Електричний струм у металах

Метали є добрими провідниками електрики. Це зумовлено їхньою внутрішньою будовою. У всіх металів зовнішні валентні електрони слабо пов'язані з ядром, і при об'єднанні атомів у кристалічну решітку ці електрони стають загальними, що належать усьому шматку металу.

Носії заряду в металах є електрони .

Електрони в металах при поміщенні в електричне поле рухаються з постійною середньою швидкістю, пропорційної напруженості поля.

Залежність опору провідника від температури

При підвищенні температури у електронів провідності збільшується швидкість теплового руху, що призводить до збільшення частоти зіткнень з іонами кристалічних ґрат і, тим самим, зростання опору.

Надпровідність - явище різкого зменшення до нуля опору провідника при охолодженні до критичної температури (що залежить від роду речовини).

Надпровідність – це квантовий ефект. Пояснюється він тим, що з низьких температурах макроскопічне число електронів поводяться як об'єкт. Вони можуть обмінюватися з кристалічними гратами порціями енергії, меншими їх енергії зв'язку, тому розсіювання теплової енергії немає, як і відсутність опору.

Таке об'єднання електронів можливе при утворенні ними бозонних (куперівських) пар – корелюваного стану електронів із протилежними спинами та імпульсами.

Ефект Мейснера – витіснення магнітного поля з надпровідника. Усередині провідника у надпровідному стані циркулюють незатухаючі струми, що створюють магнітне поле, протилежне зовнішньому. Сильне магнітне поле руйнує надпровідність.

Електричний струм у рідинах

електролітами прийнято називати провідні середовища, в яких перебіг електричного струму супроводжується перенесенням речовини

Досягши катода, іони міді нейтралізуються надлишковими електронами катода і перетворюються на нейтральні атоми, що осідають на катоді. Іони хлору, досягнувши анода, віддають по одному електрону. Хлор виділяється на аноді у вигляді бульбашок.

Закон електролізу був експериментально встановлений англійським фізиком М. Фарадеєм у 1833 році ( закон Фарадея)

m- маса вилученої в результаті електролізу чистої речовини

k- електрохімічний еквівалент речовини

Тут N A- постійна Авогадро, M = m 0 N A- молярна маса речовини,
F = eN A =96485 Кл/моль- постійна Фарадея

Постійна Фарадея чисельно дорівнює заряду, який необхідно пропустити через електроліт для виділення на електроді одного моля одновалентної речовини

Закон Фарадея для електролізу

Електричний струм у газах

За звичайних умов усі гази є діелектриками, тобто проводять електричного струму. Цією властивістю пояснюється, наприклад, широке використання повітря як ізолююча речовина. Принцип дії вимикачів і рубильників якраз і заснований на тому, що розмикаючи їх металеві контакти, ми створюємо між ними прошарок повітря, що не проводить струм.

Однак за певних умов гази можуть ставати провідниками. Наприклад, полум'я, внесене у простір між двома металевими дисками (див. малюнок), призводить до того, що гальванометр відзначає появу струму. Звідси випливає: полум'я, тобто газ, нагрітий до високої температури, є провідником електричного струму.

Нагрівання - не єдиний спосіб перетворення газу на провідник. Замість полум'я можна використовувати ультрафіолетове чи рентгенівське випромінювання, а також потік альфа-часток чи електронів. Досвідами встановлено, що дія будь-якої з цих причин призводить до іонізації молекул газу.

Проходження струму через гази називають газовим розрядом. Щойно ми розглянули приклад так званого несамостійного розряду. Він так називається тому, що для його підтримки потрібно якийсь іонізатор - полум'я, випромінювання або потік заряджених частинок. Досліди показують, що якщо іонізатор усунути, то іони та електрони незабаром возз'єднуються (кажуть: рекомбінують), утворюючи знову електронейтральні молекули. В результаті газ перестає проводити струм, тобто стає діелектриком.

Самостійна та несамостійна провідність газів

Для того, щоб зробити газ провідним, потрібно тим чи іншим способом внести в нього або створити в ньому вільні носії заряду - заряджені частинки. При цьому можливі два випадки: або ці заряджені частинки створюються дією якогось зовнішнього фактора або вводяться в газ ззовні - несамостійна провідність, або вони створюються в газі дією самого електричного поля, що існує між електродами - самостійна провідність.

Що стосується несамостійної провідності, при невеликих значеннях U графік має вигляд прямий, тобто. закон Ома наближено зберігає чинність; зі зростанням U крива загинається з деякої напруги і перетворюється на горизонтальну пряму.

Це означає, що, починаючи з деякої напруги, струм зберігає постійне значення, незважаючи на збільшення напруги. Це постійне значення сили струму, що не залежить від напруги, називають струмом насичення.

Несамостійний газовий розряд - Розряд, що існує лише під дією зовнішніх іонізаторів.

При збільшенні напруги виникає ударна іонізація – явище вибивання електронів із нейтральних молекул – кількість носіїв заряду збільшується лавиноподібно. Виникає самостійний розряд.

Самостійний газовий розряд - Розряд, що існує після видалення зовнішніх іонізаторів.

Процеси, що впливають на провідність газів

Термічна іонізація- при зіткненні нейтральних атомів відбувається вибивання електронів та перетворення атомів на позитивні іони.
Іонізація випромінюванням(фотоіонізація) - розпад атома на електрон та позитивний іон під дією світла
Іонізація електронним ударом- Вибивання прискореним електроном з атома електрона з утворенням позитивного іона
Вторинна електронна емісіяз катода - вибивання позитивними іонами електронів із катода
Термоелектронна емісія- випромінювання нагрітим металом електронів

Тліючий розряд: При тиску газу кілька десятих міліметра ртутного стовпа розряд має типовий вигляд, схематично зображений на рис. Це струм в іонізованому газі, а точніше сказати у низькотемпературній плазмі. Тліючий розряд утворюється при проходженні струму через розряджений газ. Як тільки напруга перевищує певне значення, газ у колбі іонізує і відбувається свічення. Це вже по суті електричний струм не так у газі, як у плазмі. Колір свічення газу (плазми) залежить від речовини газу.

Іскровий розряд: При досить великій напруженості поля (близько 3 МВ/м) між електродами з'являється електрична іскра, що має вигляд яскраво звивистого звивистого каналу, що з'єднує обидва електроди. Газ поблизу іскри нагрівається до високої температури і раптово розширюється, через що виникають звукові хвилі, і ми чуємо характерний тріск. Відбувається при звичайних умовах, при звичайному атмосферному тиску, так само як і розряд, що тліє, відбувається в наслідок іонізації газу, але при високій напрузі, на відміну від дугового розряду, де в першу чергу важлива висока щільність струму.

Коронний розряд: відбувається в сильному електричному полі з високою напруженістю, достатньою щоб викликати іонізацію газу (або рідини). Електричне поле при цьому буває не однорідним, десь напруженість значно більша. Утворюється градієнт (відмінність) потенціалів поля і там, де потенціал більше, іонізація газу йде сильніше, інтенсивніше, потім потік іонів доходить до іншої частини поля, тим самим утворюючи потік електрики. Через війну утворюється коронний газовий розряд химерних форм, залежно від геометрії провідників — джерела напруженості поля.

Дуговий розряд: є електричним пробою газу, яким надалі стає постійним плазмовим розрядом — дугою, утворюється електрична дуга. Дуговий розряд характеризується нижчою напругою, ніж тліючий розряд. Підтримується переважно рахунок термоелектронної емісії, коли з електродів вивільняються електрони. Стара назва такої дуги є «вольтовою дугою». Відмінною особливістю такої дуги є висока щільність струму та низька напруга, яка обмежена джерелом струму. Для того щоб створити таку дугу, електроди зближуються, відбувається пробій, а потім вони розсуваються.