Электрическая цепь. Электрический ток в металлах. Действия электрического тока. Направление тока

Давайте рассмотрим, какие элементы можно соединять проводами, чтобы получилась электрическая цепь: гальванический элемент, батарея элементов, лампочка, звонок, сопротивление, выключатель (или ключ), амперметр и вольтметр.

Чертеж, на котором изображены способы соединения элементов в цепь, называют схемой. Вот так выглядит схема электрического фонарика.

А вот так выглядит схема, состоящая из источника, одного звонка и двух (или более) кнопок, по которым можно независимо включить звонок, например, в больнице (или в самолете), когда нужно вызвать больному медицинскую сестру.

Вспомним строение металлов: в узлах кристаллической решетки находятся положительные ионы, а электроны свободно перемещаются между этими узлами, создавая «электронный газ», занимающий весь объем металлического проводника. Поэтому электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение электронов. В отсутствии электрического поля электроны движутся беспорядочно, хаотично, с достаточно большими скоростями.

Но когда подается электрическое поле от источника, а скорость его распространения составляет 300000км/с, то все электроны во всем объеме металлического проводника начинают упорядоченное движение с небольшой скоростью, которая составляет нескольких мм/с.

Для существования электрического тока необходимо: наличие свободных заряженных частиц, электрического поля (источника), потребителя и проводников электрического тока.

Электрический ток при прохождении через нагрузку, обладает различными действиями. Какие же действия мы можем наблюдать?

Тепловое действие . Для наблюдения за этим действием проведем опыт.

На двух изолированных стойках поместим длинный провод. В нескольких местах прикрепим легко свисающие кисточки бумажек. Провод подсоединим к регулируемому источнику (типа ЛАТР, чтобы можно было постепенно повышать напряжение). Включаем установку, медленно увеличиваем напряжение, при определенном значении провод начинает нагреваться, и бумажки загораются. Обратим внимание на то, что во время опыта провод сильнее провисает. Это происходит из-за того, что он нагрелся, а при нагревании все тела расширяются, а проволока – удлиняется.

Механическое действие . Подключим небольшой вентилятор. Почему лопасти крутятся? Потому что при прохождении электрического тока через двигатель рамки в магнитном поле вращаются (механическое перемещение) и вращают лопасти вентилятора.

Магнитное действие . Рассмотрим опыт Эрстеда, который он провел в 1820 году. На установке по первому опыту мы во время включения тока поднесем магнитную стрелку на стойке. Стрелка отклонится от обычного направления в магнитном поле Земли и повернется перпендикулярно проводнику, фиксируя наличие более сильного магнитного поля около проводника, по которому течет ток. При выключении тока видим, что стрелочка отклоняется и вновь показывает направление на «север».

Химическое действие . В качестве нагрузки теперь включим в электрическую цепь два угольных электрода, вставленных в стеклянный стакан, в котором налит раствор медного купороса.

Предварительно необходимо зачистить электроды наждачной бумагой, для удаления каких-либо примесей. Включаем цепь в регулируемый источник…и через некоторое время выключаем и видим, что на отрицательном электроде (катоде) выделился тонкий слой меди.

Есть еще физиологическое действие электрического тока: действие на живые организмы. Впервые при препарировании лапок лягушки Луиджи Гальвани обнаружил сокращение мышц лапки. То – есть, при прохождении тока через организм, все мышцы сокращаются, пытаясь защитить организм от неприятных последствий.

Направление электрического тока было придумано американским банкиром Бенджамином Франклином, который в свободное время занимался электричеством.

Он считал, что деньги из большой положительной кучи перетекают в маленькие отрицательные карманы клиентов. Поэтому предложил: ток идет от положительного полюса к отрицательному.

Это правило было принято во всем мире.

Лишь много позже, после открытия Томсоном электрона, поняли, что физическое (истинное) направление тока от «минуса» к « плюсу». Ток идет от мест на источнике, где накопилось избыточное количество электронов, в те места, где электронов не хватает.

Но уже были придуманы правила: правило буравчика, правило левой руки, правило правой руки, правило Ампера и другие для направления тока от «плюса» к « минусу». И было решено ничего не менять, а так и считать, что ток идет от «плюса» к «минусу».

Таким образом, мы рассмотрели, что собой представляет ток в металлах, какими действиями обладает ток и в чем отличие общепринятого направления тока от «плюса» к «минусу» от истинного физического направления.

Все металлы в твердом и жидком состоянии являются проводниками электрического тока. Специально поставленные опыты показали, что при прохождении злектрического тока масса металлических проводников остается постоянной, не изменяется и их химический состав. На этом основании можно было предположить, что в создании электрического тока в металлах участвуют только электроны. Предположение об электронной природе электрического тока в металлах подтверждено опытами советских физиков Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси и американских физиков Т. Стюарта и Р. Толмена. В этих опытах было обнаружено, что при резкой остановке быстро вращающейся катушки в проводе катушки возникает электрический ток, создаваемый отрицательно заряженными частицами - электронами.

При отсутствии электрического поля свободные электроны перемещаются в кристалле металла хаотически. Под действием электрического поля свободные электроны, кроме хаотического движения, приобретают упорядоченное движение в одном направлении, и в проводнике возникает электрический ток. Свободные электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, отдавая им при каждом столкновении кинетическую энергию, приобретенную при свободном пробеге под действием электрического поля. В результате упорядоченное движение электронов в металле можно рассматривать как равномерное движение с некоторой постоянной скоростью V.

Так как кинетическая энергия электронов, приобретаемая под действием электрического поля, передается при столкновении ионами кристаллической решетки, то при прохождении постоянного тока проводник нагревается.

Зависимость удельного электрического сопротивления металлов от температуры.

Удельное сопротивление металлов при нагревании увеличивается приблизительно по линейному закону (рис. 152):

где р - удельное электрическое сопротивление металла при температуре t, ро - его удельное сопротивление при О °С, а - температурный коэффициент сопротивления, особый для каждого металла,

С приближением температуры к абсолютному нулю удельное сопротивление монокристаллов становится очень малым. Этот факт свидетельствует о том, что в идеальной кристаллической решетке металла электроны перемещаются под действием электрического поля, не взаимодействуя с ионами решетки. Длина их свободного пробега при этом может достигать значений, порядка 1 см, т. е. в 107-108 раз превышает межатомные расстояния в кристалле. Электроны взаимодействуют лишь с ионами, не находящимися в узлах кристаллической решетки.

При повышении температуры возрастает число дефектов в кристаллической решетке из-за тепловых колебаний ионов, - это приводит к возрастанию удельного сопротивления кристалла.

В том, что электрическое сопротивление металлов обусловлено взаимодействиями электронов проводимости с различными дефектами решетки, убеждает и тот факт, что удельное сопротивление кристаллов металлов сильно зависит от наличия в них примесей. Например, введение 1 % примеси марганца увеличивает удельное сопротивление меди в три раза.

Сверхпроводимость.

В 1911 г. нидерландский ученый Гейке Камерлинг-Ониес (1853- 1926) обнаружил, что при понижении температуры ртути до 4,1 К ее удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис. 153). Явление уменьшения удельного сопротивления до нуля при температуре, отличной от абсолютного нуля, называется сверхпроводимостью. Материалы, обнаруживающие способность переходить при некоторых температурах, отличных от абсолютного нуля, в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками.

Прохождение тока в сверхпроводнике происходит без потерь энергии, поэтому однажды возбужденный в сверхпроводящем кольце электрический ток может существовать неограниченно долго без изменения.

Сверхпроводящие материалы уже используются в электромагнитах. Ведутся исследования, направленные на создание сверхпроводящих линий электропередачи.

Применение явления сверхпроводимости в широкой

практике может стать реальностью в ближайшие годы благодаря открытию в 1986 г. сверхпроводимости керамик - соединений лантана, бария, меди и кислорода. Сверхпроводимость таких керамик сохраняется до температур около 100 К.

Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике.

Для определения скорости упорядоченного движения свободных электрических зарядов в проводнике нужно знать концентрацию свободных носителей заряда и силу тока . Если концентрация свободных электрических зарядов в проводнике то за промежуток времени через поперечное сечение проводника при скорости их упорядоченного движения проходит электрический заряд равный

Открытый урок по физике в 8 классе.

Тема «Электрический ток в металлах. Действия электрического тока.»

Цель урока : Продолжить изучение природы электрического тока в металлах, экспериментальным путем изучить действие электрического тока.

Задачи урока:

Образовательная – формирование единых взглядов на природу электрического тока, формирование умения работать с электрическими схемами, собирать электрические цепи.

Развивающая – формирование умения находить ошибки и не допускать их при применении знаний на практике, а также логично объяснять новые явления, применять свои знания в нестандартных ситуациях.

Воспитательная – воспитывать чувство любви к своей Родине, прививать любовь к художественной литературе, формирование умения концентрировать внимание, вести диалог, аргументировано отстаивать свое мнение.

Оборудование и материалы : источники тока, электрическая лампочка для карманного фонаря, электрический звонок, выключатели, подводящие провода, раствор медно купороса, электромагнит, медная и цинковая пластинки, модель кристаллической решетки,гальванометр.

ТСО : компьютерная презентация, диск с программным обеспечением «Кирилл и Мефодий» Физика8 класс, мультимедийный проектор.

Демонстрации:

1) Сборка простейших электрических цепей.

2) Выделение меди при электролизе CuSO4.

3)Действие катушки с током, как электромагнита.

4)Получение источника тока используя лимон и медную и цинковую пластинку.

План урока.

Актуализация опорных знаний -10 мин.

Изучение нового материала «Электрический ток в металлах» - 10 мин

Закрепление -3 мин

Минутка отдыха -1 мин

Изучение нового материала «Действия электрического тока». 12 мин

Закрепление -5 мин.

Домашнее задание -2мин.

Итоги урока -2 мин.

Ход урока.

1) Актуализация опорных знаний -10 мин.

Здравствуйте ребята наш урок, я хочу начать с такого четверостишья:

Как наша прожила б планета,

Как люди жили бы на ней

Без теплоты, магнита, света

И электрических лучей.

Ребята, знания науки всегда, помогает человеку в жизни, а незнания приводит подчас к трагическим последствиям. Сделайте из этих слов для себя правильные выводы.

В моем четверостишье упоминается о электрических лучах. Как вы думаете, что это такое? (электрический ток)

Что называется электрическим током?

Эталон ответа. Упорядоченное направленное движение частиц.

Что необходимо, чтобы в цепи существовал электрический ток?

Э.ответа . Источник тока, проводники, потребитель тока, и все эти элементы должны быть замкнуты.

3) Работа со схемами.

А теперь проверим, как вы видите нарушения в составлении электрических цепей.

Перед вами две эл. цепи, схемы которых представлены на экране.

1. Почему не горит исправная лампа в первой цепи при замыкании ключа? (Рис. 1)

Ответ учащихся.

Эталон ответа. Электрическая цепь имеет разрыв. Чтобы лампа загорелась, в цепи должен существовать электрический ток, а это возможно при замкнутой цепи, состоящей только из проводников электричества.

Учитель. А чем проводники отличаются от непроводников или изоляторов?

Ответ учащихся.

Эталон ответа. Проводники – такие тела, через которые электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному. А в изоляторах такие переходы невозможны, и лампа загорается.

Приглашается ученик, который дал правильный ответ и он, устранив разрыв, демонстрирует правильный ответ. Лампа загорается.

2. Почему не звенит звонок во второй цепи при замыкании цепи? (Рис. 2)

Ответ учащихся.

Эталон ответа. Для получения электрического тока в проводнике, надо в нем создать электрическое поле. Под действием этого поля свободные заряженные частицы начнут двигаться упорядоченно, а это и есть электрический ток. Электрическое поле в проводниках создается и может длительно поддерживаться источниками электрического поля. Электрическая цепь должна иметь источник тока. Подключаем цепь к источнику тока и звонок звенит.

Приглашается ученик, который дал правильный ответ и он, подсоединив к цепи источник тока, демонстрирует правильный ответ.

Зашифрованное слово.

Ребята, а сейчас прочитаем зашифрованное слово, но для этого вам нужно вспомнить условные обозначения, применяемые на схемах для электроприборов. Поставте буквы напротив соответствующих приборов и начав со стрелки, прочитайте слово.

Слайд №4 Ответ:«Рузаевка»

Слайд №5 «Ординоносная Рузаевка – железнодорожные ворота Мордовии»

Слайд №6 Задач: С какой целью на стыках рельсов электрофицированных железных дорог делают толстые медныеперемычки или сваривают рельсы?

Ответ. Рельсы проводят электрический ток и, следовательно, чтобы цепь не была разомкнута, делают медные перемычки или сваривают рельсы.

2.Изучение нового материала «Электрический ток в металлах» - 10 мин.

Слайд №1 Тема нашего урока: «Электрический ток в металлах. Действия электрического тока»

Ребята кто знает, как можно избежать действия электрического тока при случайном прикосновении к электроприбору, которое оказалось под напряжением?

Эталон ответа. Для этого необходимо заземление, так как земля является проводником и, благодаря своим огромным размерам, может удерживать большой заряд.

Учитель. Из каких материалов выполняется заземление?

Ответ учащихся.

Эталон ответа. Заземление выполняют из металла.

Учитель. Почему предпочитают именно эти вещества, мы ответим после изучения новой темы “Электрический ток в металлах”. Запишите тему урока в тетрадь.

Итак, наш разговор пойдет о металлах. Самое известное из ранних определений металла было дано в 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.

Поэтому сегодня, в общем случае можно воспользоваться определением М.В.Ломоносова первый русский ученый – естествоиспытатель мирового значения., добавив к первым двум свойствам, им предложенным, еще три. Вы узнаете все свойства металлов. Начнем знакомство с одним из них – электропроводностью.

Вспомним строение металлов. Модель металла - кристаллическая решетка, в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение. (Представлена модель кристаллической решетки, а на экране проецируется изображение модели строения металлов).

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение. Частицы в кристаллах расположены в определённом порядке, образуя пространственную (кристаллическую) решётку. Как вам уже известно, в любом металле часть валентных электронов покидает свои места в атоме, в результате чего атом превращается в положительный ион. В узлах кристал-лической решётки металла расположены положительные ионы, а в пространстве между ни-ми движутся свободные электроны (электронный газ), т.е. не связанные с ядрами своих атомов.
Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален.
Какие же электрические заряды движутся под действием электрического поля в металлических проводниках? Мы можем предположить, что под действием электрического поля движутся свободные электроны. Но это наше предположение нуждается в доказательстве.
В 1899 г. К. Рикке на трамвайной подстанции в Штуттгарте включил в главный провод, питающий трамвайные линии, последовательно друг другу торцами три тесно прижатых цилиндра; два крайних были медными, а средний - алюминиевым.

Через эти цилиндры более года проходил электрический ток. Произведя тщательный анализ того места, где цилиндры контактировали, К. Рикке не обнаружил в меди атомов алюминия, а в алюминии - атомов меди, т. е. диффузия не произошла. Таким образом, он экспериментально доказал, что при прохождении по проводнику электрического тока ионы не перемещаются. Следователь-но, перемещаются одни лишь свободные электроны, а они у всех веществ одинаковые.

Заключительным подтверждением этому факту явился опыт, проведенный в 1913 году физиками нашей страны Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси, а также американскими физиками Б. Стюартом и Р. Толменом. Посмотрите рисунок на экране. Слайд №

Ученые приводили в очень быстрое вращение многовитковую катушку вокруг ее оси. Затем, при резком торможении катушки концы ее замыкались на гальванометр, и прибор регистрировал кратковременный электрический ток. Причина возникновения, которого вызвана движением по инерции свободных заряженных частиц между узлов кристаллической решетки металла. Так как из опыта известно направление начальной скорости и направление получаемого тока, то можно найти знак заряда носителей: он оказывается отрицательным. Следовательно, свободные носители зарядов в металле - свободные электроны. По отклонению стрелки гальванометра можно судить о величине протекающего в цепи электрического заряда. Опыт подтвердил теорию. Триумф классической теории электричества состоялся.

электрический ток в металлических проводниках представляет собой упорядоченное движение свободных электронов, под действием электрического поля
Если в проводнике нет электрического поля, то электроны движутся хаотично, аналогично тому, как движутся молекулы газов или жидкостей. В каждый момент времени скорости различных электронов отличаются по модулям и по направлениям. Если же в проводнике создано электрическое поле, то электроны, сохраняя свое хаотичное движение, начинают смещаться в сторону положительного полюса источника. Вместе с беспорядочным движением электронов возникает и упорядоченный их перенос - дрейф.

Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике под действием электрического поля - несколько миллиметров в секунду, а иногда и ещё меньше. Но как только в проводнике возникает электрическое поле, оно с огромной скоростью, близкой к скорости света в вакууме (300 000 км /с), распространяется по всей длине проводника.
Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. Так, например, при замыкании цепи электрической лампы в упорядоченное движение приходят и электроны, имеющиеся в спирали лампы.
Понять это поможет сравнение электрического тока с течением воды в водопроводе, а распространения электрического поля - с распространением давления воды. При подъёме воды в водонапорную башню очень быстро по всей водопроводной системе распространяется давление (напор) воды. Когда мы открываем кран, то вода уже находится под давлением и начинает течь. Но из крана течёт та вода, которая была в нём, а вода из башни дойдёт до крана много позднее, т.к. движение воды происходит с меньшей скоростью, чем распростра-нение давления.
Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.
Электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s=8000 км), приходит туда примерно через 0,03с.

Минутка отдыха .

Ребята, однажды великого мыслителя Сократа спросили о том, что, по его мнению, легче всего в жизни? Он ответил, что легче всего – поучать других, а труднее – познать самого себя.

На уроках физики мы говорим о познании природы. Но сегодня давайте лянем « в себя». Как мы воспринимаем окружающий мир? Как художники или как мыслители?.

Встаньте, поднимите руки в верх, потянитесь.

Переплетите пальцы рук.

Посмотрите какой палец левой или правой руки оказался у вас вверху? Результат запишите «Л» или «П»

Скрестите руки на груди. («поза Наполеона») Какая рука сверху?

Поаплодируйте. Какая рука сверху?

Подведем итоги.

Учитывая, что результат «ЛЛЛ» соответствует художественному типу личности, а «ППП» - типу мышления.

Какой же тип мышления преобладает у вашего класса?

Несколько «художников», несколько «мыслителей», а большинство ребят – гармонично развитые личности, которым свойственно, как логическое, так и образное мышление.

А теперь можно переходить к познанию внешнего мира. Закончили э

Электрический ток в металлах. Переходим к следующему блоку «Действия электрического тока»

Изучение нового материала «Действия электрического тока.»

Мы не можем видеть движущиеся в металлическом проводнике электроны. О наличии тока в цепи мы можем судить по различным явлениям, которые вызывает электрический ток. Такие явления называют действиями тока.. Некоторые из этих действий легко наблюдать на опыте.

Тепловое действие тока. (Слайд № ,) Программный диск Уроки физики 8 класс Вертуальная школа Кирилла и Мефодия. Урок 08 (пункт 7,9)

Химическое действие тока. Химическое действие эл. тока впервые было открыто в 1800 г.

Опыт. Проведем опыт с раствором медного купороса. Два угольных электрода, опускаем в дисцилированную воду замыкаем цепь. Наблюдаем, что Эл. лампочка не загорается. Берем раствор медного купороса и подсоединяем к источнику тока. Эл лампочка загорается.

Вывод. Химическое действие тока состоит в том, что в некоторых растворах кислот (солей, щелочей) при прохождении через них электрического тока наблюдается выделение веществ. Вещества, содержащиеся в растворе, откладываются на электродах, опущенных в этот раствор. При пропускании тока через раствор медного купороса (CuSo4) на отрицательно заряженном электроде выделится чистая медь (Сu). Это используют для получения чистых металлов.

Путем электролиза получают алюминий (это единственный промышленный способ его получения), химические чистые металлы, производят никилирование, хромирование, золочение.

Для предохранения металлов от ккорозии их поверхность часто покрывают трудно окисляемыми металлами, т. е. производят никелирование или хромирование. Этот процесс называется гальваностегией.

Магнитное действие тока.

Опыт. Катушку с железным сердечником включаем в цепь и наблюдает притяжение металлических предметов.

Использование магнитного действия тока в гальванометрах.

Слайд№

Гальванометр. Схематическое обозначение

Закрепление изученного материала.

К итайский философ Конфуций как – то сказал, словно для нас с вами

«Хорошо обладать природным дарованием, но упражнения, друзья, дают нам больше, чем природное дарование».

Русская пословица гласит: « Учиться всегда пригодится».

Почему нельзя прикасаться к неизолированным электрическим проводам голыми руками?

(Влага на руках всегда содержит раствор различных солей и является электролитом. Поэтому она создает хороший контакт между проводами и кожей.)

Ребята я вам зачитаю отрывок из рассказа К.Г.Паустовского «Подарок»

«Лесничий – мужик хитрый, он, когда в Москве жил, так, говорят, на электрическом току пищу себе готовил. Может это быть или нет?

-Может, ответил Рувим.

Может, может! – передразнил его дет. –А ты этот электрический ток видел? Как же ты его видал, когда он видимости не имеет, вроде как воздух?»

? Как бы вы объяснили деду, что такое электрический ток?. И как с его помощью можно готовить пищу?.

Задание на дом. Параграф. 34,35Л. №1260, 1261. Придумать стихотворение, или загадку про эл. ток, или рисунок.

Электри́ческая цепь совокупность устройств, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий ток и напряжениеэлектрического токатокнапряжение Изображение электрической цепи с помощью условных знаков называют электрической схемойэлектрической схемой

Все устройства и объекты, входящие в состав электрической цепи, могут быть разделены на три группы: 1) Источники электрической энергии (питания). Общим свойством всех источников питания является преобразование какого-либо вида энергии в электрическую. Источники, в которых происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными источниками. Вторичные источники – это такие источники, у которых и на входе, и на выходе – электрическая энергия (например, выпрямительные устройства). 2) Потребители электрической энергии. Общим свойством всех потребителей является преобразование электроэнергии в другие виды энергии (например, нагревательный прибор). Иногда потребители называют нагрузкой. 3) Вспомогательные элементы цепи: соединительные провода, коммутационная аппаратура, аппаратура защиты, измерительные приборы и т.д., без которых реальная цепь не работает.

Электрический ток в металлических проводниках это упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля, создаваемого источником тока. Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов (опыт Толмена и Стьюарта): Катушка с большим числом 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 гальванометром.

Электроли́т вещество, расплав или раствор, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы. Примерами электролитов могут служить растворы кислот, солей и оснований. Электролиты проводники второго рода, вещества, которые в растворе (или расплаве) состоят полностью или частично из ионов и обладающие вследствие этого ионной проводимостью.веществорасплавраствор электрический токдиссоциацииионыкислотсолейоснованийпроводники Классификация Исходя из степени диссоциации все электролиты делятся на две группы Сильные электролиты электролиты, степень диссоциации которых в растворах равна единице (то есть диссоциируют полностью) и не зависит от концентрации раствора. Сюда относятся подавляющее большинство солей, щелочей, а также некоторые кислоты (HCl, HBr, HI, HNO 3). Слабые электролиты степень диссоциации меньше единицы (то есть диссоциируют не полностью) и уменьшается с ростом концентрации. К ним относят воду, ряд кислот, основания p-, d-, и f- элементов.водуp- элементов Между этими двумя группами четкой границы нет, одно и то же вещество может в одном растворителе проявлять свойства сильного электролита, а в другом слабого.

Темы кодификатора ЕГЭ : носители свободных электрических зарядов в металлах.

В этом листке мы приступаем к подробному изучению того, как осуществляется прохождение электрического тока в различных проводящих средах - твёрдых телах, жидкостях и газах.

Напомним, что необходимым условием возникновения тока является наличие в среде достаточно большого количества свободных зарядов , которые могут начать упорядоченное движение под действием электрического поля. Такие среды как раз и называются проводниками электрического тока.

Наиболее широко распространены металлические проводники. Поэтому начинаем мы с вопросов распространения электрического тока в металлах.

Мы много раз говорили о свободных электронах , которые являются носителями свободных зарядов в металлах. Вам хорошо известно, что электрический ток в металлическом проводнике образуется в результате направленного движения свободных электронов.

Свободные электроны

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическую структуру: расположение атомов в пространстве характеризуется периодической повторяемостью и образует геометрически правильный рисунок, называемый кристаллической решёткой .

Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов , расположенных на внешней электронной оболочке. Эти валентные электроны слабо связаны с ядром, и атом легко может их потерять.

Когда атомы металла занимают места в кристаллической решётке, валентные электроны покидают свои оболочки - они становятся свободными и отправляются «гулять» по всему кристаллу (а именно, свободные электроны перемещаются по внешним орбиталям соседних атомов. Эти орбитали перекрываются друг с другом вследствие близкого расположения атомов в кристаллической решётке, так что свободные электроны оказываются «общей собственностью» всего кристалла). В узлах кристаллической решётки металла остаются положительные ионы , пространство между которыми заполнено «газом» свободных электронов (рис. 1 ).

Рис. 1. Свободные электроны

Свободные электроны и впрямь ведут себя подобно частицам газа (другой адекватный образ - электронное море , которое «омывает» кристаллическую решётку) - совершая тепловое движение, они хаотически снуют туда-сюда между ионами кристаллической решётки. Суммарный заряд свободных электронов равен по модулю и противоположен по знаку общему заряду положительных ионов, поэтому металлический проводник в целом оказывается электрически нейтральным.

Газ свободных электронов является «клеем», на котором держится вся кристаллическая структура проводника. Ведь положительные ионы отталкиваются друг от друга, так что кристаллическая решётка, распираемая изнутри мощными кулоновскими силами, могла бы разлететься в разные стороны. Однако в тоже самое время ионы металла притягиваются к обволакивающему их электронному газу и, как ни в чём не бывало, остаются на своих местах, совершая лишь тепловые колебания в узлах кристаллической решётки вблизи положений равновесия.

Что произойдёт, если металлический проводник включить в замкнутую цепь, содержащую источник тока? Свободные электроны продолжают совершать хаотическое тепловое движение, но теперь - под действием возникшего внешнего электрического поля - они вдобавок начнут перемещаться упорядоченно . Это направленное течение электронного газа, накладывающееся на тепловое движение электронов, и есть электрический ток в металле (поэтому свободные электроны называются также электронами проводимости ). Скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике, как нам уже известно, составляет приблизительно 0,1мм/с.

Опыт Рикке

Почему мы решили, что ток в металлах создаётся движением именно свободных электронов? Положительные ионы кристаллической решётки также испытывают на себе действие внешнего электрического поля. Может, они тоже перемещаются внутри металлического проводника и участвуют в создании тока?

Упорядоченное движение ионов означало бы постепенный перенос вещества вдоль направления электрического тока. Поэтому надо просто пропускать ток по проводнику на протяжении весьма длительного времени и посмотреть, что в итоге получится. Такого рода эксперимент и был поставлен Э.Рикке в 1901 году.

В электрическую цепь были включены три прижатых друг к другу цилиндра: два медных по краям и один алюминиевый между ними (рис. 2 ). По этой цепи пропускался электрический ток в течение года.

Рис. 2. Опыт Рикке

За год сквозь цилиндры прошёл заряд более трёх миллионов кулон. Предположим, что каждый атом металла теряет по одному валентному электрону, так что заряд иона равен элементарному заряду Кл. Если ток создаётся движением положительных ионов, то нетрудно подсчитать (сделайте это сами!), что такая величина прошедшего по цепи заряда соответствует переносу вдоль цепи около 2кг меди.

Однако после разъединения цилиндров было обнаружено лишь незначительное проникновение металлов друг в друга, обусловленное естественной диффузией их атомов (и не более того). Электрический ток в металлах не сопровождается переносом вещества , поэтому положительные ионы металла не принимают участия в создании тока.

Опыт Стюарта–Толмена

Прямое экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создаётся движением свободных электронов, было дано в опыте Т.Стюарта и Р.Толмена (1916 год).

Эксперименту Стюарта–Толмена предшествовали качественные наблюдения, сделанные четырьмя годами ранее русскими физиками Л.И.Мандельштамом и Н.Д.Папалекси. Они обратили внимание на так называемый электроинерционный эффект : если резко затормозить движущийся проводник, то в нём возникает кратковременный импульс тока. Эффект объясняется тем, что в течение небольшого времени после торможения проводника его свободные заряды продолжают двигаться по инерции.

Однако никаких количественных результатов Мандельштам и Папалекси не получили, и наблюдения их опубликованы не были. Честь назвать опыт своим именем принадлежит Стюарту и Толмену, которые не только наблюдали указанный электроинерционный эффект, но и произвели необходимые измерения и расчёты.

Установка Стюарта и Толмена показана на рис. 3 .

Рис. 3. Опыт Стюарта–Толмена

Катушка большим числом витков металлического провода приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы обмотки с помощью скользящих контактов были подсоединены к специальному прибору - баллистическому гальванометру , который позволяет измерять проходящий через него заряд.

После резкого торможения катушки в цепи возникал импульс тока. Направление тока указывало на то, что он вызван движением отрицательных зарядов. Измеряя баллистическим гальванометром суммарный заряд, проходящий по цепи, Стюарт и Толмен вычислили отношение заряда одной частицы к её массе. Оно оказалось равно отношению для электрона, которое в то время уже было хорошо известно.

Так было окончательно выяснено, что носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны . Как видите, этот давно и хорошо знакомый вам факт был установлен сравнительно поздно - учитывая, что металлические проводники к тому моменту уже более столетия активно использовались в самых разнообразных экcпериментах по электромагнетизму (сравните, например, с датой открытия закона Ома - 1826 год. Дело, однако, заключается в том, что сам электрон был открыт лишь в 1897 году).

Зависимость сопротивления от температуры

Опыт показывает, что при нагревании металлического проводника его сопротивление увеличивается. Как это объяснить?

Причина проста: с повышением температуры тепловые колебания ионов кристаллической решётки становятся более интенсивными, так что число соударений свободных электронов с ионами возрастает. Чем активнее тепловое движение решётки, тем труднее электронам пробираться сквозь промежутки между ионами (Представьте себе вращающуюся проходную дверь. В каком случае труднее проскочить через неё: когда она вращается медленно или быстро? :-)). Скорость упорядоченного движения электронов уменьшается, поэтому уменьшается и сила тока (при неизменном напряжении). Это и означает увеличение сопротивления.

Как опять-таки показывает опыт, зависимость сопротивления металлического проводника от температуры с хорошей точностью является линейной:

(1)

Здесь - сопротивление проводника при . График зависимости (1) является прямой линией (рис. 4 ).

Рис. 4.

Множитель называется температурным коэффициентом сопротивления . Его значения для различных металлов и сплавов можно найти в таблицах.

Длина проводника и его площадь поперечного сечения при изменении температуры меняются несущественно. Выразим и через удельное сопротивление:

и подставим эти формулы в (1) . Получим аналогичную зависимость удельного сопротивления от температуры:

Коэффициент весьма мал (для меди, например, ), так что температурной зависимостью сопротивления металла часто можно пренебречь. Однако в ряде случаев считаться с ней приходиться. Например, вольфрамовая спираль электрической лампочки раскаляется до такой степени, что её вольт-амперная характеристика оказывается существенно нелинейной.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика лампочки

Так, на рис. 5 приведена вольт-амперная характеристика автомобильной лампочки. Если бы лампочка представляла собой идеальный резистор, её вольт-амперная характеристика была прямой линией в соответствии с законом Ома. Эта прямая изображена синим пунктиром.

Однако по мере роста напряжения, приложенного к лампочке, график отклоняется от этой прямой всё сильнее и сильнее. Почему? Дело в том, что с увеличением напряжения ток через лампочку возрастает и больше разогревает спираль; сопротивление спирали поэтому также увеличивается. Следовательно, сила тока хотя и продолжит возрастать, но будет иметь всё меньшее и меньшее значение по сравнению с тем, которое предписывается «пунктирной» линейной зависимостью тока от напряжения.