Презентация, доклад по физике на тему Электрический ток в металлах

– Петербург
2016

понятие физической природы электрического тока в металлах;
продолжить формирование естественно-научных представлений по изучаемой теме;
создать условия для формирования познавательного интереса;
расширить научно-технический кругозор учащихся
Развивающие:
создать условия для развития  коммуникативных навыков;
создать условия для развития аналитических способностей учащихся, умения анализировать, сопоставлять, сравнивать , обобщать, делать выводы;
создать условия для развития памяти, внимания, воображения
Воспитательные:
способствовать развитию умения отстаивать свою точку зрения;
способствовать развитию культуры взаимоотношений при работе в коллективе

середине XVIII века М.В. Ломоносовым:
“Металлом называется светлое тело, которое ковать можно. Таких тел только шесть: золото, серебро, медь, олово, железо и свинец”.

Спустя два с половиной века многое стало известно о металлах. К числу металлов относится более 75% всех элементов таблицы Д. И. Менделеева, и подобрать абсолютно точное определение для металлов – почти безнадежная задача.

свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца (1904 г.)  и носит название классической электронной теории.
Она дала простое и наглядное объяснение большинства электрических и тепловых свойств металлов.

Пауль Друде Карл Людвиг — немецкий физик

Хендрик Антон Лоренц- голландский физик

Классическая электронная теория

взаимодействуют только с ионами кристаллической решётки, взаимодействие это сводится к соударению.
В промежутках между соударениями электроны движутся свободно.
Электроны проводимости образуют «электронный газ», подобно идеальному газу. «Электронный газ» подчиняется законам идеального газа.
При любом соударении электрон передаёт всю накопленную энергию.

Основные положения теории

около положения равновесия,
и свободных электронов, способных перемещаться по всему объему проводника (электронный газ, подчиняющийся законам идеального газа )

Строение металла

при комнатной температуре составляет примерно 105 м/с.

Строение металла

В металле в отсутствие электрического поля электроны хаотически движутся и сталкиваются, чаще всего с ионами кристаллической решетки.

упорядоченно перемещаться между ионами кристаллической решетки.
Электрический ток протекает по проводнику благодаря наличию в нем свободных электронов, сорвавшихся с атомных орбит

электронов под действием электрического поля.
При протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.
Это было подтверждено в опытах
немецкого физика Э.Рикке в 1901 году.

года через три прижатых друг к другу, хорошо отшлифованных цилиндра. Общий заряд, прошедший за это время через цилиндры, превысил 3,5 МК. После окончания было установлено, что имеются лишь незначительные следы взаимного проникновения металлов, не превышающие результатов обычной диффузии атомов в твёрдых телах. Измерения показали, что масса каждого из цилиндров осталась неизменной. Поскольку массы атомов меди и алюминия существенно отличаются друг от друга, то масса цилиндров должна была бы заметно измениться, если бы носителями заряда были ионы.
Следовательно, свободными носителями заряда в металлах являются не ионы. Огромный заряд, который прошёл через цилиндры, был перенесён, очевидно, такими частицами, которые одинаковы и в меди, и в алюминии.

в металлах создается свободными электронами, было дано в опытах Л.И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (1913 г., результаты не были опубликованы), а также опытах Т. Стюарта и Р. Толмена (1916 г.).

Л.И. Мандельштам
1879—1949

Н. Д. Папалекси
1880—1947

Т. Стюарт

телефоном, раскручивалась вокруг своей оси в разные стороны и резко тормозилась.
Если электроны и вправду обладают массой, то, когда катушка внезапно останавливается, электроны еще некоторое время должны двигаться по инерции. Движение электронов по проводу — электрический ток, и телефон должен издавать звук. Раз в телефоне слышен звук, следовательно, через него ток протекает.
Но никакие измерения и количественные расчеты в этих опытах не были произведены.

Опыт Л.И.Мандельштама и Н.Д.Папалекси (1912 г.)

витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда.
Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.

обусловлен движением отрицательно заряженных частиц.
Измеряя заряд, проходящий через гальванометр за все время существования тока в цепи, Т.Стюарт и Р.Толмен определили экспериментально удельный заряд частиц. Он оказался равным

– электронная
Проводник, по которому течет ток, нагревается.
Проводник, по которому течет ток, оказывает магнитное действие на окружающие тела.

это физическая величина, характеризующая способность проводника противодействовать установлению электрического тока в нем.
Удельное сопротивление – это сопротивление цилиндрического проводника единичной длины и единичной площадью поперечного сечения.





При нагревании размеры проводника меняются мало, а в основном меняется удельное сопротивление.

- удельное сопротивление при 0 градусов,
t - температура,
α - температурный коэффициент сопротивления

проводников с ростом температуры увеличивается удельное сопротивление, увеличивается сопротивление проводника и уменьшается электрический ток в цепи.
Сопротивление проводника при изменении температуры можно рассчитать по формуле: R = Ro ( 1 + α t ),
где Ro - сопротивление проводника при 0 градусов Цельсия
t - температура проводника
α - температурный коэффициент сопротивления

генераторах

В нагревательных приборах

законы Ома и Джоуля–Ленца. Однако в ряде вопросов классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом.
Эта теория не может объяснить, почему молярная теплоемкость металлов, также как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3R, где R – универсальная газовая постоянная (закон Дюлонга и Пти). Наличие свободных электронов не сказывается на величине теплоемкости металлов.
Классическая электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов. Теория дает соотношение    в то время как из эксперимента получается зависимость ρ ~ T.
Однако наиболее ярким примером расхождения теории и опытов является сверхпроводимость.

охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах.
При температурах порядка нескольких кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения.
В 1911 г. нидерландский ученый Гейке Камерлинг-0ннес обнаружил, что при понижении температуры ртути до 4,1 К ее удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля.

(1853— 1926)
Гейке Камерлинг
-0ннес,
нидерландский
ученый

уменьшается до нуля. Это явление называется сверхпроводимостью.
Материалы, обнаруживающие способность переходить при некоторых температурах, отличных от абсолютного нуля, в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками.

Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах:
a – нормальный металл;
b – сверхпроводник

исследования свойств вещества при низких температурах».
В дальнейшем было выяснено, что более 25 химических элементов — металлов при очень низких температурах становятся сверхпроводниками. Самая низкая температура у вольфрама — 0,012 К, самая высокая у ниобия — 9 К.
Сверхпроводимость наблюдается не только у чистых металлов, но и у многих химических соединений и сплавов и некоторых полупроводников.
При этом сами элементы, входящие в состав сверхпроводящего соединения, могут и не являться сверхпроводниками. Например, NiBi, Au2Bi, PdTe, PtS и другие.
В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.

теория была построена в 1950 году Л. Д. Ландау  и В. Л. Гинзбургом. Однако эти теории не раскрывали детальные механизмы сверхпроводимости.
Впервые сверхпроводимость получила объяснение на микроскопическом уровне в 1957 году в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. Центральным элементом их теории, получившей название теории БКШ, являются так называемые куперовские пары электронов.
Позднее было установлено, что сверхпроводники делятся на два больших семейства: сверхпроводников I типа (к ним, в частности, относится ртуть) и II типа(которыми обычно являются сплавы разных металлов). В открытии сверхпроводимости II типа значительную роль сыграли работы А. А. Абрикосова в 1950-е.

Беднорц открыли новый тип сверхпроводников, получивших название 
высокотемпературных.
В начале 1987 года было показано, что соединения лантана, стронция, меди и кислорода (La—Sr—Cu—O) испытывают скачок сопротивления практически до нуля при температуре 36 К.
В начале марта 1987 года был впервые получен сверхпроводник при температуре, превышающей температуру кипения жидкого азота (77,4 К): было обнаружено, что таким свойством обладает соединение иттрия, бария, меди и кислорода (Y—Ba—Cu—O).

и меди )  с критической температурой 125 К.
В 2003 году было открыто керамическое соединениюеHg—Ba—Ca—Cu—O(F), критическая температура для которого равна 138 К. Более того, при давлении 400 кбар то же соединение является сверхпроводником при температурах до 166 К.
В 2015 году был установлен новый рекорд температуры, при которой достигается сверхпроводимость. Для H2S (сероводород) при давлении 100 ГПа был зафиксирован сверхпроводящий переход при температуре 203 К (-70°C).

тепла при прохождении через проводник электрического тока. Это свойство сверхпроводников широко используется.
Для каждого сверхпроводника существует критическое значение силы тока, которое можно достигнуть в проводнике, не нарушая его сверхпроводимости. Это происходит потому, что при прохождении силы тока, вокруг проводника создается магнитное поле. А магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Поэтому сверхпроводники невозможно использовать для получения сколь угодно сильного магнитного поля.
При прохождении энергии через сверхпроводник не происходит её потерь. Одним из направлений исследований современных физиков, является создание сверхпроводящих материалов при комнатных температурах.

свойство сверхпроводимости.

По своему поведению в достаточно сильных магнитных полях они подразделяются на сверхпроводники 1-го и 2-го рода.

Сверхпроводники I рода полностью вытесняют магнитное поле.

К сверхпроводникам 1 рода относятся все элементы-сверхпроводники, кроме Nb и V, и некоторые сплавы. 

отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый в 1933 году, т.е. полное вытеснение не слишком сильного магнитного поля из материала при переходе в сверхпроводящее состояние.
В толще сверхпроводника магнитное поле ослабляется до нуля, сверхпроводимость и магнетизм можно назвать как бы противоположными свойствами.

Эффект Мейснера

По преданию, гроб с телом пророка Магомета висел в пространстве без всякой поддержки, поэтому этот опыт называют экспериментом с «магометовым гробом».

Отталкиваясь от неподвижного сверхпроводника, магнит всплывает сам и продолжает парить до тех пор, пока внешние условия не выведут сверхпроводник из сверхпроводящей фазы. В результате этого эффекта магнит, приближающийся к сверхпроводнику, «увидит» магнит обратной полярности точно такого же размера, что и вызывает левитацию.

Эффект Мейснера

сверхпроводникам 2 рода относятся, в основном, сплавы и композитные материалы (NbTi, Nb3Ge и др.), а также Nb и V.
В таких сверхпроводниках магнитное поле вызывает появление тонких нитей нормального металла, пронизывающих образец, каждая из которых несёт квант магнитного потока (вихри Абрикосова). Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим.
Поскольку в сверхпроводнике II рода нет полного эффекта Мейснера, сверхпроводимость существует до гораздо больших значений магнитного поля Hc2.

состояние.
В нормальных металлах ток исчезает примерно через
10-12 с.
В сверхпроводнике ток, может циркулировать годами (теоретически 105 лет!).

затрат электроэнергии).
Сверхпроводящие магниты используются в ускорителях элементарных частиц, магнито- и гидродинамических генераторах, преобразующих энергию струи раскаленного ионизированного газа, движущегося в магнитном поле, в электрическую энергию.

кабель способен передавать мощность, которая требует создания цепи линии электропередач с несколькими более толстыми кабелями).
Проблемы, возникающие при этом,- стоимость кабелей и их обслуживания (через сверхпроводящие линии необходимо постоянно прокачивать жидкий азот).
Первая коммерческая сверхпроводящая линия электропередачи была запущена в эксплуатацию фирмой American Superconductor на Лонг-Айленде в Нью-Йорке в конце июня 2008 года.

магнитов.
Железнодорожный путь представляет собой полосу из уложенных перпендикулярно движению металлических стержней, в которых наводится управляемая с помощью компьютера волна тока, бегущая под вагоном и перед ним. Взаимодействие тока с магнитным полем одновременно тянет вагон вперед и поддерживает просвет между дном вагона и дорогой.
Первое испытание опытного поезда, использующего ВТСП-магниты, состоялось в Японии 7 декабря 2005 года. Поезд развил скорость более 500 км/ч

памяти ЭВМ и элементов квантового компьютера.
Важное применение находят миниатюрные сверхпроводящие приборы-кольца — сквиды, действие которых основано на связи изменения магнитного потока и напряжения ( входят в состав сверхчувствительных магнитометров, измеряющих магнитное поле Земли и используемых в медицине).
Сверхпроводники применяются для формирования изображения в приборах медицинской диагностики ( магнитные сканеры и магнитные резонаторы).
Явление зависимости температуры перехода в сверхпроводящее состояние от величины магнитного поля используется в криотронах — управляемых сопротивлениях.