Teema "Elektrivool metallides"
Tunni eesmärk: Jätkata elektrivoolu olemuse uurimist metallides, eksperimentaalselt uurida elektrivoolu mõju.
Tunni eesmärgid:
Hariduslik –ühiste seisukohtade kujunemine elektrivoolu olemuse kohta, oskuse kujunemine elektriskeemidega töötamiseks, elektriahelate kokkupanemiseks.
Hariduslik- oskuse kujundamine teadmiste praktikas rakendamisel vigu leida ja neid vältida, samuti uusi nähtusi loogiliselt seletada, oma teadmisi mittestandardsetes olukordades rakendada.
Hariduslik – tähelepanu koondamise, dialoogi pidamise, oma arvamuse mõistliku kaitsmise võime kujundamine.
Seadmed ja materjalid: toiteallikad, taskulambi elektripirn, elektrikell, lülitid, juhtjuhtmed, vasksulfaadi lahus, elektromagnet, vask- ja tsinkplaadid, kristallvõre mudel, galvanomeeter.
TCO Kabiin: arvutiesitlus, multimeediaprojektor.
Demod:
1) Lihtsamate elektriahelate kokkupanek.
2) Vase eraldamine vasksulfaadi elektrolüüsi ajal
3) Mähise toime vooluga, nagu elektromagnet.
Tunniplaan.
- Teadmiste täiendamine (10 min).
- Uue materjali "Elektrivool metallides" õppimine (10 min)
"Elektrivoolu toimed" (12 min)
- Kinnitamine (9 min)
- Kodutöö (2 min)
- Kokkuvõte (2 min)
Tundide ajal.
Tere kutid!
Kuidas meie planeet elaks,
Kuidas inimesed sellest elaksid?
Ilma soojuse, magnetita, valguseta
Ja elektrikiired.
See neljavärk mainib elektrikiiri. Mis see teie arvates on? (elekter)
1) Mida nimetatakse elektrivooluks?
2) Mida on vaja, et vooluringis eksisteeriks elektrivool?
3) Töö diagrammidega: nimetage elektriskeemi kavandatavad põhiosad
Pakutud nimetused: elektrilamp, võti, ampermeeter, voltmeeter, vooluallikas, kellad jne.
4) Ja nüüd kontrollime, kuidas näete elektriahelate koostamisel rikkumisi.
Enne olete kaks elektriahelat, mille skeemid kuvatakse ekraanil.
1. Milliseid rikkumisi märkasite? Miks ei põle esimeses ahelas töötav lamp, kui võti on suletud? Vastus. Elektriahel on katki. Selleks, et lamp süttiks, peab ahelas eksisteerima elektrivool ja see on võimalik ainult elektrijuhtidest koosneva suletud ahelaga.
2) Mille poolest erinevad juhid mittejuhtidest või isolaatoritest? Vastus.Õpilased ületavad lõhe. Lamp süttib.
2. Miks teises vooluringis kell ei helise, kui ahel on suletud? Vastus. Elektrivoolu saamiseks juhis on vaja tekitada selles elektriväli. Selle välja mõjul hakkavad vabad laetud osakesed korrapäraselt liikuma ja see on elektrivool. Juhtides tekib elektriväli ja seda saab pikka aega säilitada elektrivälja allikate abil. Elektriahelal peab olema vooluallikas. Ühendame vooluahela vooluallikaga ja kell heliseb. Elektrivoolu olemasoluks on vajalikud järgmised tingimused: -------- vabade elektrilaengute olemasolu juhis; -juhi välise elektrivälja olemasolu. Õpilane, ühendanud vooluallika vooluahelaga, näitab õiget vastust.
2. Uute asjade õppimine materjal "Elektrivool metallides" - 10 min . Slaid number 1 Meie tunni teema: „Elektrivool metallides. Elektrivoolu toimed »Poisid, kes teab, kuidas vältida elektrivoolu mõju, kui puudutate kogemata elektriseadet, mis osutus pingestatud? Vastus. See nõuab maandust, kuna maa on juht ja mahutab oma tohutu suuruse tõttu suurt laengut. Õpetaja. Millistest materjalidest on valmistatud maandus? Vastus. Maandus on metallist. Õpetaja. Miks eelistatakse metalle? Sellele küsimusele vastame pärast uue teema “Elektrivool metallides” uurimist. Kirjutage tunni teema vihikusse.
Kõige kuulsama metalli varase definitsiooni andis 18. sajandi keskel M.V. Lomonosov: “Metall on kerge keha, mida saab sepistada. Selliseid kehasid on ainult kuus: kuld, hõbe, vask, tina, raud ja plii. Kaks ja pool sajandit hiljem on metallide kohta palju teada saanud. Rohkem kui 75% kõigist D. I. Mendelejevi tabeli elementidest kuulub metallide hulka.
Täna tutvume metallide olulise omadusega – elektrijuhtivusega. Mõelge metallide struktuurile. Demonstratsioon kristallvõre mudel, projitseeritakse ekraanile metallide struktuuri mudeli kujutis.
Metallmudel on kristallvõre, mille sõlmedes sooritavad osakesed kaootilist võnkuvat liikumist.
Vabad elektronid liiguvad elektrivälja mõjul. Selle tõsiasja lõplikuks kinnituseks sai 1913. aastal meie riigi füüsikute L. I. Mandelstami ja N. D. Papaleksi, aga ka Ameerika füüsikute B. Stuarti ja R. Tolmani katse. Vaadake ekraanil olevat pilti
Teadlased viisid mitme pöördega mähise ümber oma telje väga kiirele pöörlemisele. Seejärel suleti mähise järsu aeglustumisega selle otsad galvanomeetriga ja seade registreeris lühiajalise elektrivoolu. Tekkimise põhjus, mis on põhjustatud vabade laetud osakeste inertsist liikumisest metalli kristallvõre sõlmede vahel. Kuna algkiiruse suund ja tekkiva voolu suund on kogemustest teada, võib leida kandjate laengu märgi: see osutub negatiivseks. Seetõttu on metallis olevad vabad laengukandjad vabad elektronid. Galvanomeetri nõela hälbe järgi saab hinnata ahelas voolava elektrilaengu suurust. Kogemused kinnitasid teooriat. Toimus klassikalise elektriteooria võidukäik.
Elektrisignaal, mis saadetakse näiteks juhtmega Moskvast Vladivostokki (s = 8000 km), jõuab sinna umbes 0,03 sekundiga. Ja nüüd saate liikuda edasi välismaailma teadmiste juurde. Valmis elektrivool metallides. Liigume järgmise ploki juurde "Elektrivoolu toimed"
Me ei näe metalljuhis elektrone liikumas. Voolu olemasolu ahelas saame hinnata erinevate nähtuste järgi, mida elektrivool põhjustab. Selliseid nähtusi nimetatakse voolutoiminguteks, mõnda neist on lihtne katseliselt jälgida.
Voolu termiline mõju.
Voolu keemiline toime. Elektrivoolu keemiline toime avastati esmakordselt 1800. aastal. Kogemus. Teeme katse vasksulfaadi lahusega. Langetame kaks süsinikelektroodi destilleeritud vette ja sulgeme vooluringi. Jälgime, et pirn ei sütti. Võtame vasksulfaadi lahuse ja ühendame selle toiteallikaga. Lambipirn süttib. Järeldus. Keemiline voolu mõju seisneb selles, et mõnes hapete lahuses (soolad, leelised), kui neid läbib elektrivool, täheldatakse ainete eraldumist. Lahuses sisalduvad ained sadestatakse sellesse lahusesse kastetud elektroodidele. Kui vool juhitakse läbi vasksulfaadi (CuSO 4) lahuse, vabaneb negatiivselt laetud elektroodil puhas vask (Cu). Seda kasutatakse puhaste metallide saamiseks. Alumiinium, keemiliselt puhtad metallid saadakse elektrolüüsi teel, toodetakse nikeldamist, kroomimist, kullamist. Metallide korrosiooni eest kaitsmiseks kaetakse nende pind sageli raskesti oksüdeeruvate metallidega, see tähendab nikli- või kroomimist. Seda protsessi nimetatakse galvaniseerimiseks. Poisid, milliseid meetodeid metallide korrosiooni eest kaitsmiseks teate?
Hiina filosoof Konfutsius ütles kord: "Hea on omada loomuomast annet, kuid trenn, sõbrad, annab meile rohkem kui loomulik anne." Vene vanasõna ütleb: "Õppimisest on alati kasu." .1) Miks ei saa palja käega katmata elektrijuhtmeid? (Niiskus kätele sisaldab alati erinevate soolade lahust ja on elektrolüüt. Seetõttu loob hea kontakti juhtmete ja naha vahel.)
Lae alla:
Eelvaade:
Füüsikatund 8. klassis.
Teema "Elektrivool metallides"
Tunni eesmärk : Jätkata elektrivoolu olemuse uurimist metallides, eksperimentaalselt uurida elektrivoolu mõju.
Tunni eesmärgid:
Hariduslik –ühiste seisukohtade kujunemine elektrivoolu olemuse kohta, oskuse kujunemine elektriskeemidega töötamiseks, elektriahelate kokkupanemiseks.
Hariduslik - oskuse kujundamine teadmiste praktikas rakendamisel vigu leida ja neid vältida, samuti uusi nähtusi loogiliselt seletada, oma teadmisi mittestandardsetes olukordades rakendada.
Hariduslik –tähelepanu koondamise, dialoogi pidamise, oma arvamuse mõistliku kaitsmise võime kujundamine.
Seadmed ja materjalid: toiteallikad, taskulambi elektripirn, elektrikell, lülitid, juhtjuhtmed, vasksulfaadi lahus, elektromagnet, vask- ja tsinkplaadid, kristallvõre mudel, galvanomeeter.
TCO Kabiin: arvutiesitlus, multimeediaprojektor.
Demod:
1) Lihtsamate elektriahelate kokkupanek.
2) Vase eraldamine vasksulfaadi elektrolüüsi ajal
3) Mähise toime vooluga, nagu elektromagnet.
Tunniplaan.
- Teadmiste täiendamine (10 min).
- Uue materjali "Elektrivool metallides" õppimine (10 min)
"Elektrivoolu toimed" (12 min)
- Kinnitamine (9 min)
- Kodutöö (2 min)
- Kokkuvõte (2 min)
Tundide ajal.
Teema väljakuulutamine, tunni eesmärgid.
1) Teadmiste aktualiseerimine -10 min.
Tere kutid!
Kuidas meie planeet elaks,
Kuidas inimesed sellest elaksid?
Ilma soojuse, magnetita, valguseta
Ja elektrikiired.
See neljavärk mainib elektrikiiri. Mis see teie arvates on? (elekter)
Küsimused:
- Mida nimetatakse elektrivooluks?
- Mida on vaja, et vooluringis eksisteeriks elektrivool?
3) Töö diagrammidega: nimetage elektriskeemi kavandatavad põhiosad
Pakutud nimetused: elektrilamp, võti, ampermeeter, voltmeeter, vooluallikas, kellad jne.
4) Ja nüüd kontrollime, kuidas näete elektriahelate koostamisel rikkumisi.
Enne olete kaks elektriahelat, mille skeemid kuvatakse ekraanil.
1. Milliseid rikkumisi märkasite? Miks ei põle esimeses ahelas töötav lamp, kui võti on suletud? Vastus. Elektriahel on katki. Selleks, et lamp süttiks, peab ahelas eksisteerima elektrivool ja see on võimalik ainult elektrijuhtidest koosneva suletud ahelaga.
2) Mille poolest erinevad juhid mittejuhtidest või isolaatoritest? Vastus. Õpilased ületavad lõhe. Lamp süttib.
2. Miks teises vooluringis kell ei helise, kui ahel on suletud? Vastus. Elektrivoolu saamiseks juhis on vaja tekitada selles elektriväli. Selle välja mõjul hakkavad vabad laetud osakesed korrapäraselt liikuma ja see on elektrivool. Juhtides tekib elektriväli ja seda saab pikka aega säilitada elektrivälja allikate abil. Elektriahelal peab olema vooluallikas. Ühendame vooluahela vooluallikaga ja kell heliseb. Elektrivoolu olemasoluks on vajalikud järgmised tingimused: -------- vabade elektrilaengute olemasolu juhis; -juhi välise elektrivälja olemasolu. Õpilane, ühendanud vooluallika vooluahelaga, näitab õiget vastust.
2. Uute asjade õppiminematerjal "Elektrivool metallides" - 10 min. Slaid number 1 Meie tunni teema: „Elektrivool metallides. Elektrivoolu toimed »Poisid, kes teab, kuidas vältida elektrivoolu mõju, kui puudutate kogemata elektriseadet, mis osutus pingestatud? Vastus. See nõuab maandust, kuna maa on juht ja mahutab oma tohutu suuruse tõttu suurt laengut.Õpetaja. Millistest materjalidest on valmistatud maandus? Vastus. Maandus on metallist.Õpetaja. Miks eelistatakse metalle? Sellele küsimusele vastame pärast uue teema “Elektrivool metallides” uurimist. Kirjutage tunni teema vihikusse.
Kõige kuulsama metalli varase definitsiooni andis 18. sajandi keskel M.V. Lomonosov: “Metall on kerge keha, mida saab sepistada. Selliseid kehasid on ainult kuus: kuld, hõbe, vask, tina, raud ja plii. Kaks ja pool sajandit hiljem on metallide kohta palju teada saanud. Rohkem kui 75% kõigist D. I. Mendelejevi tabeli elementidest kuulub metallide hulka.
Täna tutvume metallide olulise omadusega – elektrijuhtivusega. Mõelge metallide struktuurile. Demonstratsioon kristallvõre mudel, projitseeritakse ekraanile metallide struktuuri mudeli kujutis.
Metallmudel on kristallvõre, mille sõlmedes sooritavad osakesed kaootilist võnkuvat liikumist.
Tahkes olekus metallidel on kristalne struktuur. Osakesed kristallides paiknevad kindlas järjekorras, moodustades ruumilise (kristall)võre. Nagu te juba teate, lahkub igas metallis osa valentselektrone aatomis oma kohalt, mille tulemusena muutub aatom positiivseks iooniks. Positiivsed ioonid paiknevad metalli kristallvõre sõlmedes ja nendevahelises ruumis liiguvad vabad elektronid (elektrongaas), s.t. ei ole seotud nende aatomite tuumadega.
Kõigi vabade elektronide negatiivne laeng on absoluutväärtuselt võrdne võre kõigi ioonide positiivse laenguga. Seetõttu on metall tavatingimustes elektriliselt neutraalne.
Millised elektrilaengud liiguvad elektrivälja toimel metalljuhtides?Vabad elektronid liiguvad elektrivälja mõjul. Selle tõsiasja lõplikuks kinnituseks sai 1913. aastal meie riigi füüsikute L. I. Mandelstami ja N. D. Papaleksi, aga ka Ameerika füüsikute B. Stuarti ja R. Tolmani katse. Vaadake ekraanil olevat pilti
Teadlased viisid mitme pöördega mähise ümber oma telje väga kiirele pöörlemisele. Seejärel suleti mähise järsu aeglustumisega selle otsad galvanomeetriga ja seade registreeris lühiajalise elektrivoolu. Tekkimise põhjus, mis on põhjustatud vabade laetud osakeste inertsist liikumisest metalli kristallvõre sõlmede vahel. Kuna algkiiruse suund ja tekkiva voolu suund on kogemustest teada, võib leida kandjate laengu märgi: see osutub negatiivseks. Seetõttu on metallis olevad vabad laengukandjad vabad elektronid. Galvanomeetri nõela hälbe järgi saab hinnata ahelas voolava elektrilaengu suurust. Kogemused kinnitasid teooriat. Toimus klassikalise elektriteooria võidukäik.Elektrivool metalljuhtides on vabade elektronide korrapärane liikumine elektrivälja mõjul
Kui juhis puudub elektriväli, liiguvad elektronid juhuslikult, sarnaselt gaaside või vedelike molekulide liikumisele. Igal ajahetkel on erinevate elektronide kiirused moodulites ja suundades erinevad. Kui juhis tekib elektriväli, hakkavad elektronid, säilitades oma kaootilise liikumise, nihkuma allika positiivse pooluse suunas. Koos elektronide kaootilise liikumisega tekib nende korrastatud ülekanne - triiv. Elektronide järjestatud liikumise kiirus juhis elektrivälja toimel on mõni millimeeter sekundis, mõnikord isegi vähem. Kuid niipea, kui juhis tekib elektriväli, levib see kogu juhi pikkuses tohutu kiirusega, mis on lähedal valguse kiirusele vaakumis (300 000 km / s).
Samaaegselt elektrivälja levimisega hakkavad kõik elektronid kogu juhi pikkuses liikuma ühes suunas. Näiteks kui elektrilambi ahel on suletud, hakkavad ka lambispiraalis olevad elektronid korrapäraselt liikuma.
Seda aitab mõista, kui võrrelda elektrivoolu veevooluga veevarustussüsteemis ja elektrivälja levimist vee rõhu levimisega. Kui vesi tõuseb veetorni, levib vee rõhk (rõhk) väga kiiresti kogu veevärgisüsteemis. Kui kraani lahti keerame, on vesi juba rõhu all ja hakkab voolama. Aga see vesi, mis selles oli, voolab kraanist ja torni vesi jõuab kraani palju hiljem, sest. vee liikumine toimub väiksema kiirusega kui rõhu levik.
Kui nad räägivad elektrivoolu levimiskiirusest juhis, siis mõeldakse elektrivälja levimiskiirust piki juhti.
Elektrisignaal, mis saadetakse näiteks juhtmega Moskvast Vladivostokki (s = 8000 km), jõuab sinna umbes 0,03 sekundiga. Ja nüüd saate liikuda edasi välismaailma teadmiste juurde. Valmis elektrivool metallides. Liigume järgmise ploki juurde "Elektrivoolu toimed"
Uue materjali uurimine "Elektrivoolu toimed"Me ei näe metalljuhis elektrone liikumas. Voolu olemasolu ahelas saame hinnata erinevate nähtuste järgi, mida elektrivool põhjustab. Selliseid nähtusi nimetatakse voolutoiminguteks, mõnda neist on lihtne katseliselt jälgida.
Voolu termiline mõju.Programmi ketas Füüsika tunnid 8. klass. Cyrili ja Methodiuse virtuaalkool
Voolu keemiline toime.Elektrivoolu keemiline toime avastati esmakordselt 1800. aastal. Kogemus. Teeme katse vasksulfaadi lahusega. Langetame kaks süsinikelektroodi destilleeritud vette ja sulgeme vooluringi. Jälgime, et pirn ei sütti. Võtame vasksulfaadi lahuse ja ühendame selle toiteallikaga. Lambipirn süttib.Järeldus. Keemilinevoolu mõju seisneb selles, et mõnes hapete lahuses (soolad, leelised), kui neid läbib elektrivool, täheldatakse ainete eraldumist. Lahuses sisalduvad ained sadestatakse sellesse lahusesse kastetud elektroodidele. Kui vool juhitakse läbi vasksulfaadi lahuse (CuSO 4 ) eraldub negatiivselt laetud elektroodile puhas vask (Cu). Seda kasutatakse puhaste metallide saamiseks. Alumiinium, keemiliselt puhtad metallid saadakse elektrolüüsi teel, toodetakse nikeldamist, kroomimist, kullamist. Metallide korrosiooni eest kaitsmiseks kaetakse nende pind sageli raskesti oksüdeeruvate metallidega, see tähendab nikli- või kroomimist. Seda protsessi nimetatakse galvaniseerimiseks. Poisid, milliseid meetodeid metallide korrosiooni eest kaitsmiseks teate?
Voolu magnetiline toime. Kogemus.Kaasame raudsüdamikuga mähise ahelasse ja jälgime metallesemete külgetõmmet. Voolu magnetilise toime kasutamine galvanomeetrites. Galvanomeeter. Skemaatiline märgeÕpitud materjali koondamine. Küsimused uuel teemal. ToHiina filosoof Konfutsius ütles kord: "Hea on omada loomuomast annet, kuid trenn, sõbrad, annab meile rohkem kui loomulik anne." Vene vanasõna ütleb: "Õppimisest on alati kasu." .1) Miks ei saa palja käega katmata elektrijuhtmeid? (Niiskus kätele sisaldab alati erinevate soolade lahust ja on elektrolüüt. Seetõttu loob hea kontakti juhtmete ja naha vahel.)
Kodutöö. P. 34,35L. nr 1260, 1261. Koostada aruanne metallide "Alumiinium", "Kuld", "Raud" kohta
Vaatame, milliseid elemente saab juhtmetega ühendada elektriahela tegemiseks: galvaaniline element, elementide aku, lambipirn, kelluke, takistus, lüliti (või võti), ampermeeter ja voltmeeter.
Joonist, mis näitab elementide ühendamise meetodeid vooluringis, nimetatakse diagrammiks. Selline näeb välja elektriline taskulamp.
Ja selline näeb välja vooluahel, mis koosneb allikast, ühest kõnest ja kahest (või enamast) nupust, mille abil saate iseseisvalt kõne sisse lülitada näiteks haiglas (või lennukis), kui teil on vaja kutsuda haigele õde.
Meenutagem metallide struktuuri: kristallvõre sõlmedes on positiivsed ioonid ja nende sõlmede vahel liiguvad elektronid vabalt, luues "elektrongaasi", mis hõivab kogu metalljuhi ruumala. Seetõttu on elektrivool metallides elektronide korrapärane liikumine. Elektrivälja puudumisel liiguvad elektronid juhuslikult, kaootiliselt, piisavalt suurte kiirustega.
Kuid kui allikast toidetakse elektrivälja ja selle levimiskiirus on 300 000 km / s, hakkavad kõik elektronid kogu metalljuhi mahus liikuma korrapäraselt väikese kiirusega, mis on mitu mm / s. .
Elektrivoolu olemasoluks on vajalik: vabade laetud osakeste olemasolu, elektriväli (allikas), tarbija ja elektrivoolu juhid.
Elektrivoolul on koormuse läbimisel erinev toime. Milliseid tegevusi saame jälgida?
Termiline toime. Selle toimingu jälgimiseks viime läbi katse.
Asetame pika traadi kahele isoleeritud nagile. Mitmesse kohta kinnitame paberitükkidest kergesti rippuvad tutid. Ühendame traadi reguleeritava allikaga (näiteks LATR, et pinget saaks järk-järgult tõsta). Lülitame paigalduse sisse, suurendame aeglaselt pinget, teatud väärtuse juures hakkab traat soojenema ja paberitükid süttivad. Pöörame tähelepanu asjaolule, et katse ajal vajub traat tugevamini. See on tingitud asjaolust, et see on kuumenenud ja kuumutamisel laienevad kõik kehad ja traat pikeneb.
mehaaniline toime. Ühendage väike ventilaator. Miks terad pöörlevad? Sest kui elektrivool läbib mootorit, siis magnetväljas olevad raamid pöörlevad (mehaaniline liikumine) ja pöörlevad ventilaatori labad.
magnetiline toime. Mõelge Oerstedi katsele, mille ta viis läbi 1820. aastal. Paigaldamisel vastavalt esimesele katsele toome voolu sisselülitamisel nagisse magnetnõela. Nõel kaldub Maa magnetväljas oma tavapärasest suunast kõrvale ja pöördub juhiga risti, fikseerides tugevama magnetvälja olemasolu juhi lähedal, mida vool läbib. Kui vool on välja lülitatud, näeme, et nool kaldub kõrvale ja näitab jälle suunda "põhja".
Keemiline toime. Koormusena lülitame nüüd elektriahelasse kaks süsinikelektroodi, mis on sisestatud klaaskeeduklaasi, millesse valatakse vasksulfaadi lahus.
Esmalt on vaja elektroodid puhastada liivapaberiga, et eemaldada kõik lisandid. Lülitame vooluahela reguleeritud allikas sisse ... ja mõne aja pärast lülitame selle välja ja näeme, et negatiivsel elektroodil (katoodil) on eraldunud õhuke vasekiht.
Kas on veel mõni füsioloogiline Elektrivoolu toime: mõju elusorganismidele. Esimest korda avastas Luigi Galvani konna jalgade ettevalmistamise käigus jalalihaste kokkutõmbumise. See tähendab, et kui vool läbib keha, tõmbuvad kõik lihased kokku, püüdes kaitsta keha ebameeldivate tagajärgede eest.
Elektrivoolu suuna mõtles välja Ameerika pankur Benjamin Franklin, kes vabal ajal tegeles elektriga.
Ta uskus, et raha suurest positiivsest hunnikust voolab klientide väikestesse negatiivsetesse taskutesse. Seetõttu soovitas ta: vool läheb positiivsest poolusest negatiivsesse.
See reegel on aktsepteeritud kogu maailmas.
Alles palju hiljem, pärast seda, kui Thomson avastas elektroni, mõistsid nad, et voolu füüsiline (tõeline) suund on "miinusest" "plussile". Vool liigub allika kohtadest, kuhu on kogunenud liigne hulk elektrone, kohtadesse, kus elektrone pole piisavalt.
Kuid reeglid on juba leiutatud: kere-, vasaku-, parema-, Ampère'i-reegel ja teised voolu suunamiseks plussist miinusesse. Ja otsustati mitte midagi muuta, vaid eeldati, et vool läheb plussist miinusesse.
Seega oleme kaalunud, milline on vool metallides, millised on voolu toimed ja mis vahe on voolu üldtunnustatud suunal pluss-miinus tegelikust füüsilisest suunast.
Peaaegu kõiki metalle võib pidada elektrivoolu juhtideks. See on tingitud nende struktuurist, mis on kristalne ruumiline võre. Selle võre sõlmed langevad kokku positiivsete ioonide keskustega, mille ümber vaadeldakse vabade elektronide kaootilist liikumist. See seletab juhtivuse fenomeni, mille tõttu on elektrivoolu kasutamine metallides enim levinud.
Metallide füüsikalised omadused
Metallide omadused sõltuvad täielikult nende sisemisest struktuurist. Metallide tahke olek on ruumilist tüüpi kristallvõre, kus kristallid on paigutatud korrapäraselt. Nagu juba märgitud, vaadeldakse vabade elektronide liikumist kristallvõre sõlmede vahel.
Nende negatiivsete laengute absoluutväärtus langeb kokku kõigi kristallvõre sõlmedes paiknevate ioonide positiivse laenguga. Elektrivoolu läbimisel jäävad ioonid oma kohale. Toimub vabade elektronide liikumine, sama mis tahes aines.
Elektrivool metallides: rakendus
Asjaolu, et metallides on elektrone, mis juhivad voolu, on tõestatud väga ammu. Esiteks kasutatakse neid kasulikke omadusi elektrienergia edastamisel allikast tarbijatele. Generaatorite ja elektrimootorite töös kasutatakse ka metallide füüsikalisi omadusi. Neid kasutatakse ka igat tüüpi kütteseadmetes, mis on ette nähtud tööstuslikuks tootmiseks ja koduseks kasutamiseks.
Seega on elektrivool metallides vabade elektronide korrapärane liikumine, mida mõjutab elektriväli. Selle puudumisel muutub elektronide liikumine kaootiliseks, nagu vedelike või gaaside molekulide liikumine. Kui aga juhis on elektriväli, nihkuvad elektronid vooluallika positiivsele poolusele ehk nende liikumine muutub korrapäraseks.
Elektronid ise liiguvad juhis väikese kiirusega, vastupidiselt elektriväljale, mis liigub juhis valguse kiirusele läheneva kiirusega. Just see väärtus on levimiskiiruse indikaator.
Elektrivool metallis: elektrooniline juhtivus
Ja nende ümber tiirlevad elektronid. Tuumad tõmbavad elektrone ligi ja nende "ärarebimiseks" on vaja pingutada. Sel juhul on meil positiivselt laetud tuum ja negatiivselt laetud elektronid.
Selgub, et elektrivoolu tekkimiseks juhis on vaja aatomite köidikutest välja rebida palju elektrone ja nendega kaasas käia kogu vooluteel, et uued aatomid neid kinni ei haaraks. . Ilmselgelt nõuab see üsna korralikku jõudu. Kui aga tekib elektriväli, hakkab vool metalljuhtides ilma igasuguse pingutuseta jooksma. Kuidas see töötab? Mis on metallide elektrivoolu olemus, et nad suudavad voolu praktiliselt ilma kadudeta juhtida?
Voolu olemus metallides
Fakt on see, et metallides on aine struktuuri struktuur selline, et osakesed paiknevad positiivsete ioonide, st aatomite tuumade moodustatud kristallvõres. Ja negatiivsed ioonid ehk elektronid liiguvad tuumade vahel vabalt, olemata nendega seotud. Kõigi puhkeolekus olevate elektronide laeng kompenseerib tuumade positiivse laengu. Kui elektronidele mõjub elektriväli, hakkavad nad kogu juhi pikkuses ühes suunas liikuma.
Nii tekib metallides elektrivool. Iga konkreetse elektroni liikumiskiirus on väike – umbes paar millimeetrit sekundis. Kuid elektrivälja levimiskiirus on võrdne valguse kiirusega, umbes 300 000 km/s. Elektriväli paneb liikuma kõik oma teel olevad elektronid ja vool levib metalljuhtmetes valguse kiirusel.
Elektrivoolu toime
Ükskõik kui kiiresti elektronid metallis ka ei liiguks, me ei näe seda oma silmaga – need on liiga väikesed. Voolu olemasolu juhis saame hinnata ainult selle tekitatud tegevuse järgi. Elektrivoolu mõju võib olla väga mitmekesine. Voolu termiline efekt avaldub juhi kuumenemises. Seda toimingut kasutatakse laialdaselt elektrisoojendites: veekeetjad, küttekehad, föönid.
Teisel voolul on keemiline toime. Mõnes lahuses eralduvad elektrivooluga kokkupuutel mitmesugused ained. Nii saadakse puhtad ained sooladest ja leelistest. Ka voolul on magnetiline mõju. Veelgi enam, voolu magnetiline mõju avaldub alati mis tahes juhtides. Voolu magnetiline toime seisneb selles, et voolu juhtiva juhi ümber tekib magnetväli. Seda välja saab tabada ja mõõta. Voolu magnetilise toime kasutamiseks konstrueeritakse isoleeritud juhtmetest spiraalsed mähised ja nende kaudu juhitakse vool. Seega need kontsentreerivad ja võimendavad voolu magnetilist mõju ning loovad elektromagneteid.
Elekter ja magnetism on üldiselt üksteisega lahutamatult seotud. Lihtsaim näide: elektrifitseeritud juukseharja külgetõmme pole midagi muud kui elektrilaengu magnetiline toime. Inimene kasutab väga aktiivselt voolu magnetilisi omadusi. Elektritootmisest, mis muudab mehaanilise energia magnetite abil elektrienergiaks, kuni spetsiifiliste elektriseadmeteni, mis muudavad elektri tagasi mehaaniliseks tööks, kasutatakse voolu magnetilist mõju kõikjal.
Praegune suund
Positiivsete laengute liikumissuunda võetakse elektrivoolu suunaks ahelas. Ja kuna me teame, et see ei ole positiivne, vaid negatiivne laeng, mis liigub - elektronid, siis vastavalt sellele on voolu suund see suund, milles positiivsed laengud liiguksid. See on elektronide liikumisele vastupidine suund.
Miks nad selle suuna võtsid? Fakt on see, et omal ajal nad ei teadnud, kuidas elektrilaeng tegelikkuses edasi kandub, kuid kasutati elektrit ning arvutamiseks oli vaja luua reeglid ja seadused. Ja tavapäraselt võtsid nad voolu suunaks positiivsete laengute liikumise suuna. Ja kui nad sellest aru said, ei hakanud enam keegi seadusi ja reegleid ümber kirjutama. Seetõttu jääb see nii. Ja seda, kus täpselt elektronid liiguvad, võetakse vajadusel arvesse.
Vajad õpingutega abi?
Eelmine teema: Elektriahel ja selle komponendidJärgmine teema: Voolutugevus: olemus, valem, ampermeetri mõõtmine
Elektrivool metallides on elektronide korrapärane liikumine elektrivälja mõjul. Katsed näitavad, et kui vool liigub läbi metalljuhi, siis aineülekannet ei toimu, mistõttu metalliioonid elektrilaengu ülekandes ei osale.
Kõige veenvam tõestus metallide voolu elektroonilisest olemusest saadi katsetes elektronide inertsiga.
Selliste katsete idee ja esimesed kvalitatiivsed tulemused kuuluvad vene füüsikutele L. I. Mandelstamile ja N. D. Papaleksile (1913). 1916. aastal täiustasid Ameerika füüsik R. Tolman ja Šoti füüsik B. Stuart tehnikat ja viisid läbi kvantitatiivsed mõõtmised, tõestades, et vool metalljuhtides on tingitud elektronide liikumisest.
Metallide hea elektrijuhtivus tuleneb vabade elektronide suurest kontsentratsioonist.
1900. aastal lõi Saksa teadlane P. Drude, tuginedes hüpoteesile vabade elektronide olemasolust metallides, metallide juhtivuse elektroonilise teooria. See teooria töötati välja Hollandi füüsiku H. Lorenzi töödes ja seda nimetatakse klassikaline elektroniteooria . Selle teooria kohaselt käituvad elektronid metallides nagu elektrongaas, umbes nagu ideaalne gaas. Elektrongaas täidab ruumi ioonide vahel, mis moodustavad metalli kristallvõre.
Tänu interaktsioonile ioonidega saavad elektronid metallist lahkuda alles pärast nn potentsiaalne barjäär . Selle tõkke kõrgust nimetatakse tööfunktsioon . Tavalisel (toa)temperatuuril ei ole elektronidel piisavalt energiat potentsiaalse barjääri ületamiseks.
Vabad elektronid liiguvad juhuslikult ja põrkuvad liikumise ajal võre ioonidega. Selliste kokkupõrgete tulemusena tekib elektrongaasi ja võre vahel termodünaamiline tasakaal. Drude-Lorentzi teooria kohaselt on elektronidel sama keskmine soojusliikumise energia kui monatoomilise ideaalgaasi molekulidel. See võimaldab molekulaarkineetilise teooria valemite abil hinnata elektronide soojusliikumise keskmist kiirust. Toatemperatuuril osutub see ligikaudu võrdseks 10 5 m/s.
Välise elektrivälja rakendamisel metalljuhis toimub lisaks elektronide soojusliikumisele ka nende järjestatud liikumine (triiv), see tähendab elektrivool.
Keskmine triivi kiirus:
Vabade elektronide kontsentratsioon metallides on ligikaudu võrdne aatomite kontsentratsiooniga n~ 10 28 –10 29 m –3 , elektronlaengu moodul e\u003d 1,6 * 10 19 C. Ristlõikepindalaga juhile S\u003d 1 mm 2 \u003d 10 -6 m 2 voolutugevuse juures I= 1 A elektronide järjestatud liikumise kiirus on võrdne
1 sekundi jooksul liiguvad elektronid juhis järjestatud liikumisel vähem kui 0,1 mm võrra.
Sellel viisil, keskmine kiirus elektronide korrapärane liikumine metallijuhtides on palju suurusjärke väiksem kui keskmine kiirus nende termiline liikumine .
Madal triivimiskiirus on vastuolus eksperimentaalse faktiga, et vool kogu alalisvooluahelas tuvastatakse peaaegu kohe. Ahela sulgemine põhjustab elektrivälja levimise kiirusega c= 3 10 8 m/s. Läbi ajajärjekorra l/ Koos (l on ahela pikkus), tekib piki ahelat elektrivälja statsionaarne jaotus ja selles algab elektronide korrapärane liikumine.
Klassikalises metallide elektroonilises teoorias eeldatakse, et elektronide liikumine järgib Newtoni mehaanika seadusi. Selles teoorias jäetakse elektronide vastastikmõju tähelepanuta ja nende vastastikmõju positiivsete ioonidega taandub ainult kokkupõrgeteks. Samuti eeldatakse, et iga kokkupõrke ajal kannab elektron võrele üle kogu elektriväljas kogunenud energia ja seetõttu hakkab ta pärast kokkupõrget liikuma nulltriivikiirusega.
Klassikaline elektroonikateooria selgitab metallide elektritakistuse olemasolu, Ohmi ja Joule-Lenzi seadusi. Siiski viib klassikaline elektroniteooria paljudes küsimustes järeldusteni, mis on eksperimendiga vastuolus.
Näiteks ei suuda see teooria seletada, miks metallide molaarne soojusmahtuvus, samuti dielektriliste kristallide molaarne soojusmahtuvus on 3 R , kus R on universaalne gaasikonstant (Dulongi ja Petiti seadus). Vabade elektronide olemasolu ei mõjuta metallide soojusmahtuvust.
Klassikaline elektroonikateooria ei suuda samuti seletada metallide eritakistuse temperatuurisõltuvust. Teooria annab, samas kui sõltuvus saadakse katsest ρ ~ T.
Klassikalise elektroonika teooria järgi peaks metallide eritakistus jahtumisel monotoonselt vähenema, jäädes lõplikuks kõigil temperatuuridel.
Sellist sõltuvust on tõepoolest täheldatud eksperimentaalselt suhteliselt kõrgetel temperatuuridel.
Mitme kelvini suurusjärgus madalamatel temperatuuridel lakkab paljude metallide eritakistus temperatuurist sõltumast ja jõuab teatud piirväärtuseni. Suurimat huvi pakub ülijuhtivuse nähtus , mille avastas Taani füüsik H. Kammerling-Onnes 1911. aastal. Teatud kindlal temperatuuril T cr, erinevate ainete puhul erinev, eritakistus hüppab nulli.
Kriitiline temperatuur kl elavhõbe on 4,1 K, y alumiinium 1,2K, y tina 3,7 K. Ülijuhtivust ei täheldata mitte ainult elementides, vaid ka paljudes keemilistes ühendites ja sulamites. Näiteks ühendus nioobiumi koos tinaga (Ni 3 Sn) kriitiline temperatuur on 18 K. Mõned ained, mis lähevad madalal temperatuuril ülijuhtivasse olekusse, ei ole tavatemperatuuril juhid. Samas ei muutu sellised "head" juhid nagu vask ja hõbe madalal temperatuuril ülijuhtideks.
He -268,94 °C, N (lämmastik) -195,82 °C, H (vesinik) -252,77 °C