Электрический ток в металлах. Электрическая проводимость различных веществ. Электронная проводимость металлов - ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Цель: установить различия в условиях существования электрического тока в твердых, жидких и газообразных телах.

Ход урока

I. Анализ контрольной работы

II. Изучение нового материала

Для существования электрического тока необходимо два условия - существование электрического поля и свободные заряженные частицы. Мы уже знаем, что в металлах свободными зарядами являются электроны. Познакомились с вольт- амперной характеристикой этих проводников.

Немецкий физик К. Рикке 1901 г. проделал следующий опыт. Три предварительно взвешенных цилиндра (два медных и один алюминиевый) Рикке сложил отшлифованными торцами так, что алюминиевый оказался между медными. Затем цилиндры были включены в цепь постоянного тока: через них в течении года проходил ток. Вторичное взвешивание цилиндров показало, что масса цилиндров не изменялась. При исследовании торцов не было обнаружено проникновение одного металла в другой.

Результаты свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют. Для выявления природы носителей тока в металлах Л. Н. Мандельштам и Н. Д. Папалекси в 1913 г. провели следующий опыт.

Если металлический стержень движется поступательно со скоростью v, то носители тока в результате их взаимодействия с кристаллической решеткой движутся так же со скоростью v. При резком торможении стержня носители тока будут продолжать двигаться по инерции. Поэтому в замкнутой цепи появляется кратковременный ток, который обнаруживается с помощью гальванометра. В этих опытах было определено отношение заряда к массе носителей заряда. Зная заряд электрона, можно было определить массу частиц. Она оказалась порядка 10^-30 кг, что в несколько тысяч раз меньше массы иона.

Вывод: носителями могли быть только электроны.

Немецкий физик П. Друзе в 1900 г., опираясь на представление об электрическом токе в металлах как упорядоченном движении свободных электронов между ионами кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля, создал теорию электропроводимости металлов. В основе этой теории лежат следующие допущения:

1. Свободные электроны в металлах ведут себя как молекулы идеального газа: «электронный газ» подчиняется законам идеального газа.

2. Движение свободных электронов в металлах подчиняется законам классической механики Ньютона.

3. Свободные электроны в процессе их хаотического движения сталкиваются не между собой, а с ионами кристаллической решетки.

4. При столкновении электронов с ионами электроны передают ионам свою кинетическую энергию полностью.

Эти допущения огрубляют истинную картину явления, не несмотря на это, на основе электронной теории и удалось объяснить основные законы электрического тока в металлах.

Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно. Движение электронов в металле подчиняется законам квантовой физики.

Наряду с металлами хорошими проводниками являются водные растворы или расплавы электролитов.

Эксперимент 1

Пропускание электрического тока через водный раствор поваренной соли. В обычных условиях газ является изолятором, но если газ ионизировать, то он становиться проводником.

Эксперимент 2

Электрическая дуга. К двум угольным электродам присоединяют трансформатор типа КАТ, у которого имеются гнезда на 30 В. Сводят угли до соприкосновения и разводят. Наблюдается горение дуги в воздухе.

Кроме проводников и диэлектриков имеется группа веществ, проводимость которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Они получили название полупроводники.

III. Закрепление изученного

1. В чем заключается опыт Рикке? Какова его основная идея?

2. В чем заключается идея опыта Мандельштама - Папалекси.

3. Каковы основные положения электронной теории электропроводимости металлов.

4. Какие вещества называют полупроводниками?

5. Какие вещества относятся к электролитам?

6. В результате какого процесса газ становится электропроводным?

Домашнее задание

П. 111, 112.