Металлы в твёрдом состоянии, как известно, имеют кристаллическое строение. Частицы в кристаллах расположены в определённом порядке, образуя пространственную (кристаллическую) решётку.

В узлах кристаллической решётки металла расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся свободные электроны. Свободные электроны не связаны с ядрами своих атомов (рис. 53).

Рис. 53. Кристаллическая решётка металла

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки . Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален. Свободные электроны в нём движутся беспорядочно. Но если в металле создать электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно под действием электрических сил. Возникнет электрический ток. Беспорядочное движение электронов при этом сохраняется, подобно тому как сохраняется беспорядочное движение в стайке мошкары, когда под действием ветра она перемещается в одном направлении.

Итак, электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов .

Мандельштам Леонид Исаакович (1879-1944)
Российский физик, академик. Внёс существенный вклад в развитие радиофизики и радиотехники.

Папалекси Николай Дмитриевич (1880-1947)
Российский физик, академик. Занимался исследованиями в области радиотехники, радиофизики, радиоастрономии.

Доказательством того, что ток в металлах обусловлен электронами, явились опыты физиков нашей страны Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси, а также американских физиков Бальфура Стюарта и Роберта Толмена.

Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля невелика - несколько миллиметров в секунду, а иногда и еще 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 давление (напор) воды очень быстро распространяется по всей водопроводной системе. Когда мы открываем кран, то вода уже находится под давлением и сразу начинает течь. Но из крана течёт та вода, которая была в нём, а вода из башни дойдёт до крана много позднее, так как движение воды происходит с меньшей скоростью, чем распространение 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 0,03 с.

Вопросы

1. Как объяснить, что в обычных условиях металл электрически нейтрален?
2. Что происходит с электронами металла при возникновении в нём электрического поля?
3. Что представляет собой электрический ток в металле?
4. Какую скорость имеют в виду, когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике?

Задание

Используя Интернет, найдите, с какой скоростью движутся электроны в металлах. Сравните её со скоростью света.

Практически все металлы можно рассматривать, как проводники электрического тока. Это обусловлено их строением, представляющим собой кристаллическую пространственную решетку. Узлы этой решетки совпадают с центрами положительных ионов, вокруг которых наблюдается хаотическое движение свободных электронов. Этим объясняется явление проводимости, благодаря которому применение электрического тока в металлах получило наиболее широкое распространение.

Физические свойства металлов

Свойства металлов полностью зависят от их внутреннего строения. Твердое состояние металлов представляет собой кристаллическую решетку пространственного типа, где кристаллы расположены упорядоченно. Как уже было отмечено, между узлами кристаллической решетки наблюдается движение свободных электронов.

Абсолютное значение их отрицательных зарядов совпадает с положительным зарядом всех ионов, расположенных в узлах кристаллической решетки. Когда пропускается электрический ток, ионы остаются на своем месте. Происходит перемещение свободных электронов, одинаковых в любом веществе.

Электрический ток в металлах: применение

То, что в металлах существуют электроны, проводящие ток, было доказано очень давно. Прежде всего, эти полезные свойства используются при передаче электроэнергии от источника к потребителям. В основе работы генераторов и электродвигателей также используются физические свойства металлов. Они применяются и в нагревательных приборах всех типов, предназначенных для промышленного производства и домашних условий.

Таким образом, электрический ток в металлах является упорядоченным движением свободных электронов, на которые воздействует электрическое поле. При его отсутствии, движение электронов становится хаотичным, подобно движению молекул жидкостей или газов. Однако, при наличии в проводнике электрического поля, происходит смещение электронов к положительному полюсу источника тока, то есть их движение становится упорядоченным.

Сами электроны в проводнике перемещаются с невысокой скоростью, в отличие от электрического поля, которое перемещается в проводнике со скоростью, приближающейся к скорости света. Именно эта величина служит показателем скорости распространения в .

Электрический ток в металле: электронная проводимость

Разработка урока

физики в 8 классе на тему «Электрический ток в металлах. Действия электрического тока. Направление тока».

Учитель физики МОУ «Средняя школа №1»

г. Сухиничи

Калужской области

Мовсесян Р.Г.

Цели урока:

Дидактические:

создать условия для усвоения нового учебного материала, используя методику проблемного обучения, научить учащихся, работая в группах, достигать общую цель.

Общеобразовательные:

сформировать понятие о природе электрического тока в металлах и его направлении. В процессе экспериментальной работы выяснить, какие действия способен совершать электрический ток. Познакомить учащихся с техникой безопасности при работе с электрическими приборами. Показать практическую направленность изучаемого материала.

Развивающие:

Развивать логическое мышление, формировать представление о процессе научного познания.

Воспитательная:

Вырабатывать умение слушать и быть услышанным, прививать культуру умственного труда.

Оборудование, используемое на уроке:

Соединительные провода, ключи, магниты, штативы, резистор, лампочка на подставке, термометр, проволока, проволочный моток, тесты, компьютер,

Ход урока:

Организационный момент.

2. Фронтальный опрос (слайд № 2-№6 презентации ).

3. Сообщение темы и цели урока.

4. Подготовка к восприятию нового материала:

1) Как можно избежать действия электрического тока при случайном прикосновении к электрическому прибору, который оказался под напряжением? (заземлением ).

2) Из каких материалов выполняется заземление? (из металлов ).

На вопрос: «Почему предпочитают именно эти вещества?» мы и ответим после изучения новой темы: «Электрический ток в металлах». (Учащиеся записывают тему урока, высвеченную на экране, в свои рабочие тетради).

5. Объяснение нового материала:

Самое раннее определение металла было дано в середине 18 века М.В.Ломоносовым. «Металлом называется светлое тело, которое ковать можно. Таких тел только 6: золото, серебро, медь, олово. Железо и свинец».

Спустя 2,5 века многое стало известно о металлах. К числу металлов относятся 75% элементов Периодической таблицы Менделеева.

(слайд №7 ) В 1899 г. Рикке на трамвайной подстанции в Штутгарте включил в главный провод, питающий трамвайные линии, последовательно друг к другу торцами три тесно прижатых цилиндра: 2 крайних были медными, а средний- алюминиевым. Через эти цилиндры более года проходил электрический ток, но Рикке не обнаружил в меди атомов алюминия, а в алюминии – нет меди, т.е.диффузия не произошла. Следовательно, ионы не перемещаются, а перемещаются только электроны, одинаковые у всех веществ. Об этом свидетельствует опыт Мандельштама- Папалакси. ( ).

Электрический ток в металлах:

Металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. В узлах кристаллической решетки металлов расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся электроны. Электроны не связаны с ядрами своих атомов и движутся беспорядоченно, поэтому их называют свободными. Отрицательный заряд всех свободных электронов по величине равен положительному заряду всех ионов решетки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален. Если в металлах создать электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно под действием электрических сил. Возникает электрический ток. Все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника, но между ними сохраняется беспорядоченное движение (стайка мошкары, движущейся в сторону ветра).

Электрический ток в металлах - это упорядоченное движение свободных электронов.

Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля мала (несколько миллиметров в секунду). Но почему при замыкании электрической цепи лампочка загорается мгновенно?

Т.к. в металлах электрический ток- это направленное движение электронов и мы, в основном, будем сталкиваться с ним, то за направление электрического тока принимается именно направление движения электронов в проводнике, т.е. направление от – полюса источника тока к +. Электрический ток в электролитах - это упорядоченное движение положительных и отрицательных ионов.

Т.к. направление движения электрического тока было принято задолго до открытия свободных электронов, то за направление тока условно принимается движение заряженных частиц от + к - источника вне его. (слайд №8)

Увидеть движение электронов в металлах увидеть мы не можем, поэтому судить о них мы можем только по различным явлениям, которые называют действием электрического тока.

Учащимся предлагается изучить действия тока при проведении ими экспериментов. Работа ведется в группах по предложенной схеме. Перед началом работы учащиеся знакомятся с техникой безопасности (слайд №9 ) и каждая группа (их 5) выполняет предложенное задание. По окончании работ учащиеся знакомятся с электролизом, механическим и др. действиями тока, представленными на экране учителем.( )

6. Групповая работа по карточкам, отчёты групп, систематизация выводов в таблице на доске и в рабочих тетрадях.

7. Проверка усвоения нового материала.

8. Закрепление изученного материала с помощью тестовых заданий, где количество правильных ответов будет соответствовать оценке.

9. Подведение итогов урока.

10. Выставление оценок учащимся.

11. Домашнее задание : § 34,35,36 , решение задач Лукашик В.И. № 1008- 1012

При действии электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения возникает упорядоченное движение электронов (или дрейф),т.е. электрический ток. Скорость дрейфа электронов очень мала (0,6-6 мм/с).Мгновенное появление электрического тока в проводнике связано со скоростью распространения электрического поля равной км/с. 3

В течение года через цилиндры пропускался значительный электрический ток. За это время через них прошел заряд, равный примерно трем с половиной миллионам кулонов. Когда цилиндры разъединили и вновь определили их массы, выяснилось, что массы цилиндров не изменились. Это позволяет сделать вывод, что ток в металлах осуществляется частицами совершенно одинаковыми для меди и алюминия, т.е электронами. 4 Опыт Рикке

Опыт Папалекси и Мандельштама 5 Описание: Цель:Выяснить какова проводимость металлов. Установка:Катушка на стержне со скользящими контактами, присоединены к гальванометру. Ход эксперимента: Катушка раскручивалась с большой скоростью, затем резко останавливалась, при этом наблюдался отброс стрелки гальванометра. Вывод:Проводимость металлов- электронная.