Електричний струм у металах виникає. Залежність опору від температури

Розробка уроку

фізики у 8 класі на тему «Електричний струм у металах. Події електричного струму. Напрямок струму».

Вчитель фізики МОУ «Середня школа №1»

м. Сухіничі

Калузька область

Мовсесян Р.Г.

Цілі уроку:

Дидактичні:

створити умови для засвоєння нового навчального матеріалу, використовуючи методику проблемного навчання, навчити учнів, працюючи у групах, досягати спільної мети.

Загальноосвітні:

сформувати поняття про природу електричного струму в металах та його напрямі. У процесі експериментальної роботи з'ясувати, які дії здатний здійснювати електричний струм. Ознайомити учнів із технікою безпеки під час роботи з електричними приладами. Показати практичну спрямованість матеріалу, що вивчається.

Розвиваючі:

Розвивати логічне мислення, формувати уявлення про процес наукового пізнання.

Виховна:

Виробляти вміння слухати та бути почутим, прищеплювати культуру розумової праці.

Обладнання на уроці:

З'єднувальні дроти, ключі, магніти, штативи, резистор, лампочка на підставці, термометр, дріт, дротяний моток, тести, комп'ютер,

Хід уроку:

Організаційний момент.

2. Фронтальне опитування ( слайд №2-№6 презентації ).

3. Повідомлення теми та мети уроку.

4. Підготовка до сприйняття нового матеріалу:

1) Як можна уникнути дії електричного струму при випадковому дотику до електричного приладу, що опинився під напругою? ( заземленням).

2) З яких матеріалів виконується заземлення? ( з металів).

На запитання: «Чому воліють саме ці речовини?» ми відповімо після вивчення нової теми: «Електричний струм у металах». (Учні записують тему уроку, висвітлену на екрані, у свої робочі зошити).

5. Пояснення нового матеріалу:

Найраніше визначення металу було дано у середині 18 століття М.В.Ломоносовим. «Металлом називається світле тіло, яке кувати можна. Таких тіл лише 6: золото, срібло, мідь, олово. Залізо та свинець».

Через 2,5 століття багато що стало відомо про метали. До металів відносяться 75% елементів Періодичної таблиці Менделєєва.

(слайд №7 ) У 1899 р. Рікке на трамвайній підстанції в Штутгарті включив у головний провід, що живить трамвайні лінії, послідовно один до одного торцями три тісно притиснутих циліндра: 2 крайніх були мідними, а середній-алюмінієвим. Через ці циліндри понад рік проходив електричний струм, але Рікке не виявив у міді атомів алюмінію, а алюмінію – немає міді, тобто. дифузія не відбулася. Отже, іони не переміщуються, а переміщуються лише електрони, однакові у всіх речовин. Про це свідчить досвід Мандельштама-Папалаксі. ( ).

Електричний струм у металах:

Метали у твердому стані мають кристалічну будову. У вузлах кристалічної решітки металів розташовані позитивні іони, а просторі між ними рухаються електрони. Електрони не пов'язані з ядрами своїх атомів і рухаються безладно, тому їх називають вільними. Негативний заряд усіх вільних електронів за величиною дорівнює позитивному заряду всіх іонів грат. Тому в звичайних умовах метал електрично нейтральний. Якщо у металах створити електричне поле, то вільні електрони почнуть рухатись спрямовано під дією електричних сил. Виникає електричний струм. Всі електрони починають рухатися в одному напрямку по всій довжині провідника, але між ними зберігається безладний рух (зграйка мошкари, що рухається у бік вітру).

Електричний струм у металах – це впорядкований рух вільних електронів.

Швидкість руху самих електронів у провіднику під впливом електричного поля мала (кілька міліметрів на секунду). Але чому при замиканні електричного ланцюга лампочка спалахує миттєво?

Т.к. в металах електричний струм- це спрямоване рух електронів і ми, переважно, зіштовхуватимемося з ним, то напрям електричного струму приймається саме напрям руху електронів у провіднику, тобто. напрямок від – полюса джерела струму до +. Електричний струм в електролітах – це впорядкований рух позитивних та негативних іонів.

Т.к. напрямок руху електричного струму було прийнято задовго до відкриття вільних електронів, то за напрямок струму умовно приймається рух заряджених частинок від + до - джерела поза ним. (слайд №8)

Побачити рух електронів у металах ми побачити не можемо, тому судити про них ми можемо тільки за різними явищами, які називають дією електричного струму.

Учням пропонується вивчити дії струму під час проведення ними експериментів. Робота ведеться у групах за запропонованою схемою. Перед початком роботи учні знайомляться з технікою безпеки (слайд №9 ) та кожна група (їх 5) виконує запропоноване завдання. Після закінчення робіт учні знайомляться з електролізом, механічним та ін діями струму, представленими на екрані вчителем. )

6. Групова робота за картками, звіти груп, систематизація висновків у таблиці на дошці та у робочих зошитах.

7. Перевірка засвоєння нового матеріалу.

8. Закріплення вивченого матеріалу за допомогою тестових завдань, де кількість правильних відповідей відповідатиме оцінці.

9. Підбиття підсумків уроку.

10. Виставлення оцінок учням.

11. Домашнє завдання: § 34,35,36 , вирішення завдань Лукашик В.І. № 1008-1012

Метали у твердому стані мають кристалічну будову.
Модель металу - кристалічна решітка, у вузлах якої частинки здійснюють хаотичний коливальний рух.

Зверни увагу!

У вузлах кристалічних ґрат розташовані позитивні іони. У просторі між ними рухаються вільні електрони.

Негативний заряд усіх вільних електронів за абсолютним значенням дорівнює позитивному заряду всіх іонів грати. Тому в звичайних умовах метал електрично нейтральний. Вільні електрони рухаються у ньому безладно. Якщо створити в металі електричне поле, вільні електрони почнуть рухатися спрямовано (упорядковано), тобто. виникне електричний струм. Проте безладний рух електронів зберігається.

Зверни увагу!

Електричний струм у металах є упорядкованим рухом вільних електронів.

Яка швидкість руху електронів у провіднику під дією електричного поля? Невелика - всього кілька міліметрів на секунду, а іноді ще менше.
Якщо виникає в провіднику електричне поле, воно з величезною швидкістю поширюється по всій довжині провідника (близька швидкість світла - 300 000 км/с), одночасно починають рухатися електрони в одному напрямку по всій довжині провідника.
Доказом того, що струм у металах обумовлений електронами, з'явилися досліди. Досвід Мандельштама та Папалексі був проведений у 1916 році. Мета досвіду полягала у перевірці того, чи є маса носія електричного струму - електрона. Якщо маса електрона є, то він повинен підкорятися законам механіки, зокрема, закону інерції. Наприклад, якщо провідник, що рухається, різко загальмувати, то електрони ще деякий час будуть рухатися в тому ж напрямку за інерцією.
Для цієї перевірки дослідники обертали котушку з струмом, що проходить, а потім різко зупиняли її. Викид кидок струму реєстрували за допомогою телефону.
По клацанню струму в телефонах Мандельштам і Папалексі встановили, що електрон має масу. Але виміряти цю масу вони не змогли. Тому цей досвід – якісний. Пізніше американські фізики Толмен та Стюарт, використовуючи ту ж ідею обертання котушки, виміряли масу електрона. Для цього вони вимірювали заряд на її висновках, що виникає при гальмуванні котушки.

Електричний струм може існувати не тільки в металах, а й в інших середовищах: напівпровідниках, газах і розчинах електролітів. Носії електричних зарядів у різних середовищах різні.

Зверни увагу!

Так, у розчинах електролітів (солів, кислот та лугів) носіями є позитивні та негативні іони, у газах - позитивні та негативні іони, а також електрони. У напівпровідниках носіями заряду є електрони та дірки (дірка – придумана частка для пояснення механізму провідності, по суті – вільне місце, не зайняте електроном).

З напівпровідників виготовляють напівпровідникові прилади. Ось деякі з них:

Фотоелемент	Фоторезистор	Фотодіоди	Інтегральні схеми	Транзистори

Напівпровідники за низької температури не проводять електричний струм, тобто. є діелектриками. При підвищенні температури кількість носіїв електричного заряду збільшується, напівпровідник стає провідником. Чому це відбувається? Валентні електрони, що знаходяться на зовнішній оболонці атома, стають вільними і під дією електричного поля в напівпровіднику виникає електричний струм. Аналогічний процес відбувається у напівпровіднику при впливі нього світла, домішок тощо.
Зміна електропровідності напівпровідників під дією температури дозволяє застосовувати їх як термометри.

Зміна електропровідності напівпровідників під впливом світла використовується у фотоопір. Їх застосовують для сигналізації, під час управління виробничими процесами з відривом, сортуванні деталей. В екстрених ситуаціях вони дозволяють автоматично зупиняти верстати та конвеєри, запобігаючи нещасним випадкам.

Історично прийнято таке:

Напрямок струму збігається із напрямом руху позитивних зарядів у провіднику.

При цьому якщо єдиними носіями струму є негативно заряджені частинки (наприклад, електрони в металі), то напрям струму протилежно напрямку руху електронів.

Проходження струму провідником супроводжується такими його діями:

Магнітним (спостерігається у всіх провідниках).

Використовуючи цю властивість, можна визначити місце обриву фазового дроту приладами, що реагують на зміни в електромагнітному полі, наприклад, індикаторною викруткою з фазошукачем.

Якщо дротяну рамку, по якій тече струм, помістити між полюсами магніту, вона повертатиметься. Це явище використовують у пристрої гальванометра.

Стрілка гальванометра пов'язана з рухомою котушкою, яка знаходиться в магнітному полі. Коли по котушці протікає струм, стрілка відхиляється. Таким чином, за допомогою гальванометра можна зробити висновок про наявність струму в ланцюзі. Магнітна дія струму проявляється незалежно від агрегатного стану речовини. При замиканні ключа можна спостерігати як дріт, намотаний на цвях, починає притягувати невеликі залізні предмети.

Електричний струм у металах – це впорядкований рух електронів під впливом електричного поля. Досліди показують, що при протіканні струму металевим провідником не відбувається перенесення речовини, отже, іони металу не беруть участі в переносі електричного заряду.

Найбільш переконливий доказ електронної природи струму в металах було отримано у дослідах із інерцією електронів.

Ідея таких дослідів та перші якісні результати належать російським фізикам Л. І. Мандельштаму та Н. Д. Папалексі (1913 р.). У 1916 році американський фізик Р. Толмен та шотландський фізик Б. Стюарт удосконалили методику та виконали кількісні виміри, довівши, що струм у металевих провідниках зумовлений рухом електронів.

Добра електропровідність металів пояснюється високою концентрацією вільних електронів.

У 1900 році німецький вчений П. Друде на основі гіпотези про існування вільних електронів у металах створив електронну теорію провідності металів. Ця теорія отримала розвиток у роботах голландського фізика Х. Лоренца і зветься класичної електронної теорії . Згідно з цією теорією, електрони в металах поводяться як електронний газ, багато в чому схожий на ідеальний газ. Електронний газ заповнює простір між іонами, що утворюють кристалічні ґрати металу.

Через взаємодію з іонами електрони можуть залишити метал лише подолавши так званий потенційний бар'єр . Висота цього бар'єру називається роботою виходу . При нормальних (кімнатних) температурах у електронів не вистачає енергії для подолання потенційного бар'єру.

Вільні електрони рухаються хаотично і зі своїм рухом зіштовхуються з іонами решітки. Внаслідок таких зіткнень встановлюється термодинамічна рівновага між електронним газом та ґратами. Відповідно до теорії Друде-Лоренца, електрони мають таку ж середню енергію теплового руху, як і молекули одноатомного ідеального газу. Це дозволяє оцінити середню швидкість теплового руху електронів за формулами молекулярно-кінетичної теорії. При кімнатній температурі вона приблизно дорівнює 10 5 м/с.

При накладенні зовнішнього електричного поля металевому провіднику крім теплового руху електронів виникає їх упорядкований рух (дрейф), тобто електричний струм.

Середня швидкість дрейфу:

Концентрація вільних електронів у металах приблизно дорівнює концентрації атомів n ~ 10 28 –10 29 м –3 , модуль заряду електрона e= 1,6*10 19 Кл. Для провідника з площею поперечного перерізу S= 1 мм 2 = 10 -6 м 2 за силою струму I= 1 A швидкість упорядкованого руху електронів дорівнює

За 1 з електрони у провіднику переміщуються за рахунок упорядкованого руху менше ніж на 0,1 мм.

Таким чином, Середня швидкість упорядкованого руху електронів у металевих провідниках на багато порядків менше середньої швидкості їх теплового руху .

Мінімальна швидкість дрейфу суперечить досвідченому факту, що струм у всьому ланцюгу постійного струму встановлюється майже миттєво. Замикання ланцюга викликає поширення електричного поля зі швидкістю c= 3 · 10 8 м / с. Через час порядку l/с (l- Довжина ланцюга) вздовж ланцюга встановлюється стаціонарний розподіл електричного поля і в ньому починається впорядкований рух електронів.

У класичній електронній теорії металів передбачається, що рух електронів підпорядковується законам механіки Ньютона. У цій теорії нехтують взаємодією електронів між собою, які взаємодія з позитивними іонами зводять лише до зіткнень. Передбачається також, що при кожному зіткненні електрон передає решітці всю накопичену в електричному полі енергію і тому після зіткнення він починає рух з нульовою швидкістю.

Класична електронна теорія пояснює існування електричного опору металів, закони Ома та Джоуля-Ленца. Однак у низці питань класична електронна теорія призводить до висновків, що перебувають у суперечності з досвідом.

Наприклад, ця теорія не може пояснити, чому молярна теплоємність металів, як і молярна теплоємність діелектричних кристалів, дорівнює 3 R , де R- Універсальна газова постійна (закон Дюлонга і Пті). Наявність вільних електронів не позначається на величині теплоємності металів.

Класична електронна теорія не може пояснити температурну залежність питомого опору металів. Теорія дає у той час як з експерименту виходить залежність ρ ~ T.

Згідно з класичною електронною теорією, питомий опір металів повинен монотонно зменшуватися при охолодженні, залишаючись кінцевим при всіх температурах.

Така залежність справді спостерігається досвіді при порівняно високих температурах.

При нижчих температурах близько кількох кельвінів питомий опір багатьох металів перестає залежати від температури і досягає певного граничного значення. Найбільший інтерес становить явище надпровідності , відкрите датським фізиком Х. Каммерлінг-Оннесом у 1911 році. При певній температурі Tкр, різної для різних речовин, питомий опір стрибком зменшується до нуля.

Критична температура у ртуті дорівнює 4,1 К, у алюмінію 1,2 К, у олова 3,7 К. Надпровідність спостерігається не тільки у елементів, а й у багатьох хімічних сполук та сплавів. Наприклад, з'єднання ніобію з оловом (Ni 3 Sn) має критичну температуру 18 До.Деякі речовини, що переходять за низьких температур у надпровідний стан, не є провідниками при звичайних температурах. У той же час такі «хороші» провідники, як мідь та срібло, не стають надпровідниками за низьких температур.

He -268.94°C, N(азот) -195,82°C, Н(водень) -252,77°C

Реферат на тему:
«Електричний струм у металах»

Вступ

Електричний струм є скрізь, він тече: у нашому організмі, передаючи нервові імпульси, в атмосфері, викликаючи розряди блискавки тощо, і, звичайно ж, в електричних приладах, протікаючи металевими проводами.
Електричний струм у металах - це рух негативно заряджених вільних електронів під дією електричного поля у просторі між позитивно зарядженими іонами впорядкованої кристалічної решітки металу. Досліди показують, що при протіканні струму металевим провідником перенесення речовини не відбувається, отже, іони металу не беруть участі в перенесенні електричного заряду.
Інакше кажучи, в металах є електрони, здатні переміщатися металом. Вони отримали назву електронів провідності. Позитивні заряди в металі є іонами, що утворюють кристалічну решітку. Без зовнішнього поля електрони в металі рухаються хаотично, зазнаючи зіткнення з іонами решітки. Під впливом зовнішнього електричного поля електрони починають упорядковане рух, що накладається з їхньої колишні хаотичні флуктуації. У процесі впорядкованого руху електрони, як і раніше, стикаються з іонами кристалічної решітки. Саме цим і зумовлений електричний опір.

Природа електричного струму у металах.

Усі метали у твердому та рідкому стані є провідниками електричного струму. Спеціально поставлені досліди показали, що при проходженні електричного струму маса металевих провідників залишається постійною, не змінюється їх хімічний склад. На цій підставі можна було припустити, що у створенні електричного струму в металах беруть участь лише електрони. Припущення про електронну природу електричного струму в металах підтверджено дослідами радянських фізиків Л. І. Мандельштама та Н. Д. Папалексі та американських фізиків Т. Стюарта та Р. Толмена. У цих дослідах було виявлено, що при різкій зупинці котушки, що швидко обертається, у проводі котушки виникає електричний струм, створюваний негативно зарядженими частинками - електронами.
За відсутності електричного поля вільні електрони переміщуються у кристалі металу хаотично. Під дією електричного поля вільні електрони, крім хаотичного руху, набувають упорядкованого руху в одному напрямку, і в провіднику виникає електричний струм. Вільні електрони стикаються з іонами кристалічних ґрат, віддаючи їм при кожному зіткненні кінетичну енергію, набуту при вільному пробігу під дією електричного поля. В результаті впорядкований рух електронів у металі можна розглядати як рівномірний рух із деякою постійною швидкістю.
Так як кінетична енергія електронів, що купується під дією електричного поля, передається при зіткненні іонами кристалічних ґрат, то при проходженні постійного струму провідник нагрівається.

Закони у металевому середовищі. Сила струму у металевому провіднику. Щільність струму провідності. Питомий опір провідника.

Сила струму в металевому провіднику визначається за формулою:

Де I – сила струму у провіднику, e – модуль заряду електрона, n 0 – концентрація електронів провідності, – середня швидкість упорядкованого руху електронів, S – площа поперечного перерізу провідника.

Щільність струму провідності чисельно дорівнює заряду, що проходить за 1с через одиницю площі поверхні перпендикулярної напрямку струму.

Де j – щільність струму.

Більшість металів практично кожен атом іонізований. Оскільки концентрація електронів провідності одновалентного металу дорівнює

Де N a – постійна Авогадро, A – атомна маса металу, ? - щільність металу, то отримуємо, що концентрація визначається в межах 1028 - 1029 м-3.

Закон Ома для однорідної ділянки ланцюга:

Де U – напруга на ділянці, R – опір ділянки.

Для однорідної ділянки ланцюга:

Де? У – питомий опір провідника, l – довжина провідника, S – площа поперечного перерізу провідника.

Питомий опір провідника залежить від температури, і ця залежність виражається співвідношенням:

У =? оу (1 + ? ?Т)

Де? оу - питомий опір металевого провідника за температури Т =273К, ? -Термічний коефіцієнт опору, ?Т = Т - Т про - Зміна температури.

Вольт – амперна характеристика металів

Сила струму в провідниках згідно із законом Ома прямо пропорційна напрузі. Така залежність має місце для провідників із строго заданим опором (для резисторів).

Тангенс кута нахилу графіка дорівнює провідності провідника. Провідністю називається величина, зворотна опору

Де G – провідність.

Але оскільки опір металів залежить від температури, то вольт – амперна характеристика металів не є лінійною.

Механізм проводизму

Носіями струму в металах є вільні електрони, тобто електрони, що слабко пов'язані з іонами кристалічної решітки металу. Це уявлення про природу носіїв струму в металах ґрунтується на електронній теорії провідності металів, створеної німецьким фізиком П. Друде (1863-1906) та розробленої згодом нідерландським фізиком X. Лоренцем, а також на низці класичних дослідів, що підтверджують положення електронної теорії.
Електрони зовнішніх оболонок атомів (валентні електрони) узагальнені, тобто належать водночас багатьом атомам. Ці електрони можуть хаотично рухатися, утворюючи "електронний газ", який виявляються зануреними позитивні іони, розташовані у вузлах кристалічної решітки. Роль електронного газу металах дуже велика. Електрони, що хаотично рухаються, здійснюють сильний металевий зв'язок, скріплюючи грати, побудовану з однаково заряджених (а, отже, взаємно відштовхуються) іонів. Якщо уявити, що з металу видалили абсолютно всі вільні електрони, то іони, що мають однаковий знак заряду, розлетілися б убік, а грати б "вибухнули".
Саме вільні електрони, що у переносі електричного заряду, створюючи електричний струм, і зумовлюють високу електро- і теплопровідність металевих кристалів.

Застосування струму в металах

Отримання потужних магнітних полів;

Потужні електромагніти з надпровідною обмоткою у прискорювачах та генераторах;

Використовується для передачі електроенергії на відстань

У нагрівальних приладах

Явище надпровідності

Однак найбільший інтерес представляє дивовижне явище надпровідності, відкрите датським фізиком Х. Каммерлінг-Оннесом у 1911 році. При певній температурі Tкр, різної для різних речовин, питомий опір стрибком зменшується до нуля (рис. 1).
Критична температура у ртуті дорівнює 4,1 К, у алюмінію 1,2 К, у олова 3,7 К. Надпровідність спостерігається не тільки у елементів, а й у багатьох хімічних сполук та сплавів. Наприклад, з'єднання ніобію з оловом (Ni3Sn) має критичну температуру 18 К. Деякі речовини, що переходять за низьких температур у надпровідний стан, не є провідниками при звичайних температурах. У той же час такі «хороші» провідники, як мідь та срібло, не стають надпровідниками за низьких температур.

Речовини у надпровідному стані мають виняткові властивості. Практично найбільш важливим з них є здатність тривалий час (багато років) підтримувати без згасання електричний струм, збуджений у надпровідному ланцюгу. Класична електронна теорія неспроможна пояснити явище надпровідності. Пояснення механізму цього явища було дано лише через 60 років після відкриття на основі квантово-механічних уявлень.

Науковий інтерес до надпровідності зростав у міру відкриття нових матеріалів із вищими критичними температурами. Значний крок у цьому напрямі відбувся в 1986 році, коли було виявлено, що в однієї складної керамічної сполуки Tкр = 35 K. Вже наступного 1987 року фізики зуміли створити нову кераміку з критичною температурою 98 К, що перевищує температуру рідкого азоту (77 К). Явище переходу речовин у надпровідний стан при температурах, що перевищують температуру кипіння рідкого азоту, було названо високотемпературною надпровідністю.
У 1988 році було створено керамічну сполуку на основі елементів Tl-Ca-Ba-Cu-O з критичною температурою 125 К. В даний час ведуться інтенсивні роботи з пошуку нових речовин з ще більш високими значеннями Tкр. Вчені сподіваються отримати речовину у надпровідному стані за кімнатної температури. Якщо це станеться, це буде справжня революція в науці, техніці і взагалі в житті людей. Слід зазначити, що досі механізм високотемпературної надпровідності керамічних матеріалів до кінця не з'ясований.

Досвід Рікке

Упорядкований рух іонів означало б поступове перенесення речовини вздовж напрямку електричного струму. Тому треба просто пропускати струм провідником протягом дуже тривалого часу і подивитися, що в результаті вийде. Такі експеримент і був поставлений Е. Рікке в 1901 році.
В електричний ланцюг були включені три притиснуті один до одного циліндри: два мідні по краях і один алюмінієвий між ними (рис. 2). Цим ланцюгом пропускався електричний струм протягом року.

Малюнок 2
За рік крізь циліндри пройшов заряд понад три мільйони кулонів. Припустимо, кожен атом металу втрачає по одному валентному електрону, отже заряд іона дорівнює елементарному заряду e = Кл. Якщо струм створюється рухом позитивних іонів, то неважко підрахувати, що така величина заряду, що пройшов по ланцюгу, відповідає перенесення вздовж ланцюга близько 2 кг міді.
Однак після роз'єднання циліндрів було виявлено лише незначне проникнення металів один в одного, обумовлене природною дифузією їх атомів (і не більше). Електричний струм у металах не супроводжується перенесенням речовини, тому позитивні іони металу не беруть участі у створенні струму.

Досвід Стюарта – Толмена

Прямий експериментальний доказ те, що електричний струм у металах створюється рухом вільних електронів, було дано досвіді Т. Стюарта і Р. Толмена (1916 рік).
Експерименту Стюарта-Толмена передували якісні спостереження, зроблені чотирма роками раніше російськими фізиками Л. І. Мандельштамом та Н. Д. Папалексі. Вони звернули увагу на так званий електроінерційний ефект: якщо різко загальмувати провідник, що рухається, то в ньому виникає короткочасний імпульс струму. Ефект пояснюється тим, що протягом невеликого часу після гальмування провідника його вільні заряди продовжують рухатися за інерцією.
Однак жодних кількісних результатів Мандельштам та Папалексі не отримали, і спостереження їх не було опубліковано. Честь назвати досвід своїм ім'ям належить Стюарту і Толмену, які спостерігали зазначений електроінерційний ефект, а й зробили необхідні виміри і розрахунки.

Малюнок 3

Установка Стюарта та Толмена показана на рис. 3.
Котушка великою кількістю витків металевого дроту приводилася у швидке обертання навколо осі. Кінці обмотки за допомогою ковзних контактів були приєднані до спеціального приладу - балістичного гальванометра, який дозволяє вимірювати заряд, що проходить через нього.
Після різкого гальмування котушки в ланцюзі виникав імпульс струму. Напрямок струму вказував на те, що він спричинений рухом негативних зарядів. Вимірюючи балістичним гальванометром сумарний заряд, що проходить ланцюгом, Стюарт і Толмен обчислили ставлення q/m заряду однієї частки до її масі. Воно виявилося рівним відношенню e/m для електрона, яке на той час вже було добре відомо.
Так було остаточно з'ясовано, що носіями вільних набоїв у металах є вільні електрони. Як бачите, цей давно і добре знайомий вам факт був встановлений порівняно пізно - враховуючи, що металеві провідники на той момент вже більше століття активно використовувалися в найрізноманітніших експериментах з електромагнетизму.

Висновок

Електричний струм у металі є упорядкованим рухом електронів.
При взаємодії металів з електромагнітним полем головну роль грає їхня висока електропровідність, тому важливим аспектом аналізу зазначеної взаємодії є з'ясування фізичної природи відгуку провідного середовища на наявність у ній електричного струму, що нетривіально проявляє себе за рахунок своєї нетеплової дії.
У класичної електронної теорії металів передбачається, що рух електронів підпорядковується законам класичної механіки. Взаємодіям електронів між собою нехтують, взаємодія електронів з іонами зводять лише до зіткнень. Можна сказати, що електрони провідності розглядають як електронний газ, подібний до ідеального атомарного газу в молекулярній фізиці.

Список літератури

і т.д.................

І електронів, що обертаються навколо них. Електрони притягуються ядрами, і щоб їх відірвати, потрібно докласти деяке зусилля. У такому разі ми матимемо позитивно заряджене ядро та негативно заряджені електрони.

Виходить, щоб у провіднику з'явився електричний струм, треба вирвати безліч електронів з кайданів атомів і супроводжувати їх по всьому шляху дії струму, щоб їх захопили нові атоми. Очевидно, що для цього буде потрібна досить пристойна сила. Однак, при виникненні електричного поля струм починає бігти в металевих провідниках без жодного зусилля. Як це виходить? Якою є природа електричного струму в металах, що вони можуть безперешкодно проводити струм практично без втрат?

Природа струму у металах

Справа в тому, що в металах структура будови речовини така, що частинки розташовані в кристалічних ґратах, утворених позитивними іонами, тобто ядрами атомів. А негативні іони, тобто електрони, вільно переміщаються між ядрами, не пов'язані з ними. Заряд усіх електронів у спокійному стані компенсує позитивний заряд ядер. Коли виникає електричне поле, що діє на електрони, вони починають рухатися в одному напрямку по всій довжині провідника.

Так утворюється електричний струм у металах. Швидкість руху кожного конкретного електрона невелика – близько кількох міліметрів на секунду. Але швидкість поширення електричного поля дорівнює швидкості світла близько 300 000 км/с. Електричне поле рухає всі електрони на своєму шляху, і струм поширюється в металевих проводах зі швидкістю світла.

Дія електричного струму

З якою б швидкістю не рухалися електрони в металі, ми не можемо побачити це на власні очі - вони надто малі. Судити про наявність у провіднику струму, ми можемо лише за чинністю, що виробляється ним. Дія електричного струму може бути дуже різноманітною. Теплова дія струму проявляється у нагріванні провідника. Ця дія широко використовується в електронагрівальних приладах: чайниках, обігрівачах, фенах.

Ще струм має хімічну дію. У деяких розчинах при дії електричним струмом виділяються різні речовини. Так видобувають чисті речовини із солей та лугів. Струм має також і магнітну дію. Причому магнітна дія струму проявляється завжди і в будь-яких провідниках. Полягає магнітна дія струму в тому, що навколо провідника зі струмом утворюється магнітне поле. Це поле можна вловити та виміряти. Для використання магнітної дії струму споруджують спіральні обмотки із ізольованих проводів і пропускають по них струм. Таким чином, концентрують та посилюють магнітну дію струму та створюють електромагніти.

Електрика та магнетизм взагалі нерозривно пов'язані один з одним. Найпростіший приклад: притягування наелектризованого гребінця волосся - є не що інше, як магнітна дія електричного заряду. Людина дуже активно використовує магнітні властивості струму. Від вироблення електроенергії, в якій перетворять механічну енергію на електричну за допомогою магнітів, до конкретних електроприладів, що виробляють зворотне перетворення електрики на механічну роботу - скрізь використовується магнітна дія струму.

Напрямок струму

За напрямок електричного струму в ланцюзі прийнято напрямок руху позитивних зарядів. Оскільки ми знаємо, що рухається не позитивний, а негативний заряд - електрони, відповідно напрям струму - це напрям, у якому рухалися б позитивні заряди, якби вони переміщалися. Це напрям, протилежний руху електронів.

Чому прийняли такий напрямок? Справа в тому, що колись не знали, за рахунок чого насправді передається електричний заряд, але електрику використовували, і треба було створювати правила та закони для розрахунків. І умовно прийняли за напрямок струму напрямок руху позитивних зарядів. А коли розібралися, вже ніхто не почав переписувати заново закони та правила. Тож так і залишилося. А куди безпосередньо рухаються електрони, враховують у разі потреби.

Потрібна допомога у навчанні?

Попередня тема: Електричний ланцюг та складові його частини
Наступна тема: Сила струму: природа, формула, вимір амперметром