Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение.
Модель металла - кристаллическая решетка, в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение.

Обрати внимание!

В узлах кристаллической решётки расположены положительные ионы. В пространстве между ними движутся свободные электроны.

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален. Свободные электроны движутся в нём беспорядочно. Если создать в металле электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно (упорядоченно), т.е. возникнет электрический ток. Однако беспорядочное движение электронов сохраняется.

Обрати внимание!

Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.

Какова же скорость движения электронов в проводнике под действием электрического поля? Невелика - всего несколько миллиметров в секунду, а иногда и ещё меньше.
Если возникает в проводнике электрическое поле, оно с огромной скоростью распространяется по всей длине проводника (близкой к скорости света - 300 000 км/с), одновременно начинают двигаться электроны в одном направлении по всей длине проводника.
Доказательством того, что ток в металлах обусловлен электронами, явились опыты. Опыт Мандельштама и Папалекси был проведён в 1916 году. Цель опыта состояла в проверке того, есть ли масса у носителя электрического тока - электрона. Если масса у электрона есть, то он должен подчиняться законам механики, в частности, закону инерции. К примеру, если движущийся проводник резко затормозить, то электроны ещё некоторое время будут двигаться в том же направлении по инерции.
Для этой проверки исследователи вращали катушку с проходящим током, а затем резко останавливали её. Возникающий бросок тока регистрировали с помощью телефона.
По щелчку тока в телефонах Мандельштам и Папалекси установили, что электрон обладает массой. Но измерить эту массу они не смогли. Поэтому этот опыт - качественный. Позже американские физики Толмен и Стюарт, используя ту же идею вращения катушки, измерили массу электрона. Для этого они измеряли возникающий при торможении катушки заряд на её выводах.

Электрический ток может существовать не только в металлах, но и в других средах: в полупроводниках, газах и растворах электролитов. Носители электрических зарядов в разных средах разные.

Обрати внимание!

Так, в растворах электролитов (солей, кислот и щелочей) носителями являются положительные и отрицательные ионы, в газах - положительные и отрицательные ионы, а также электроны. В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки (дырка - придуманная частица для объяснения механизма проводимости, по сути - свободное место, не занятое электроном).

Из полупроводников изготавливают полупроводниковые приборы. Вот некоторые из них:

Фотоэлемент	Фоторезистор	Фотодиоды	Интегральные схемы	Транзисторы

Полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток, т.е. являются диэлектриками. При повышении температуры число носителей электрического заряда увеличивается, полупроводник становится проводником. Почему это происходит? Валентные электроны, находящиеся на внешней оболочке атома, становятся свободными, и под действием электрического поля в полупроводнике возникает электрический ток. Аналогичный процесс происходит в полупроводнике при воздействии на него света, примесей и т.д.
Изменение электропроводимости полупроводников под действием температуры позволяет применять их в качестве термометров.

Изменение электропроводимости полупроводников под воздействием света используется в фотосопротивлениях. Их применяют для сигнализации, при управлении производственными процессами на расстоянии, сортировке деталей. В экстренных ситуациях они позволяют автоматически останавливать станки и конвейеры, предупреждая несчастные случаи.

Исторически принято следующее:

Направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике.

При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения электронов.

Прохождение тока по проводнику сопровождается следующими его действиями:

Магнитным (наблюдается во всех проводниках).

Используя это свойство, можно найти место обрыва фазового провода приборами, реагирующими на изменения в электромагнитном поле, к примеру, индикаторной отвёрткой с фазоискателем.

Если проволочную рамку, по которой течёт ток, поместить между полюсами магнита, то она станет поворачиваться. Данное явление используют в устройстве гальванометра.

Стрелка гальванометра связана с подвижной катушкой, находящейся в магнитном поле. Когда по катушке протекает ток, стрелка отклоняется. Таким образом, с помощью гальванометра можно сделать вывод о наличии тока в цепи. Магнитное действие тока проявляется вне зависимости от агрегатного состояния вещества. При замыкании ключа можно наблюдать, как проволока, намотанная на гвоздь, начинает притягивать небольшие железные предметы.

Тема «Электрический ток в металлах»

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 – 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 медного купороса, электромагнит, медная и цинковая пластинки, модель кристаллической решетки, гальванометр.

ТСО : компьютерная презентация, мультимедийный проектор.

Демонстрации:

1) Сборка простейших электрических цепей.

2) Выделение меди при электролизе медного купороса

3)Действие катушки с током, как электромагнита.

План урока.

1. Актуализация знаний(10 мин).
2. Изучение нового материала «Электрический ток в металлах» (10 мин)

«Действия электрического тока» (12 мин)

1. Закрепление (9 мин)
2. Домашнее задание (2мин)
3. Подведение итогов (2 мин)

Ход урока.

Здравствуйте ребята!

Как наша прожила б планета,

Как люди жили бы на ней

Без теплоты, магнита, света

И электрических лучей.

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

1) Что называется электрическим током?

2) Что необходимо, чтобы в цепи существовал электрический ток?

3) Работа со схемами: назвать предложенные основные части электрической цепи

Предложены обозначения: электрическая лампа, ключ, амперметр, вольтметр, источник тока, звонки др.

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

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

1. Какие нарушения вы заметили? Почему не горит исправная лампа в первой цепи при замыкании ключа? Ответ. Электрическая цепь имеет разрыв. Чтобы лампа загорелась, в цепи должен существовать электрический ток, а это возможно при замкнутой цепи, состоящей только из проводников электричества.

2) Чем проводники отличаются от непроводников или изоляторов? Ответ. Ученики устраняют разрыв. Лампа загорается.

2. Почему не звенит звонок во второй цепи при замыкании цепи? Ответ. 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. Для существования электрического тока необходимы следующие условия: --------наличие свободных электрических зарядов в проводнике; -наличие внешнего электрического поля для проводника. Ученик, подсоединив к цепи источник тока, демонстрирует правильный ответ.

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? Ответ. 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. Заземление выполняют из металла. Учитель. Почему предпочитают именно металлы? На этот вопрос мы ответим после изучения новой темы “Электрический ток в металлах”. Запишите тему урока в тетрадь.

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.

Сегодня мы познакомимся с важным свойством металлов – электропроводностью. Вспомним строение металлов. Демонстрация модели кристаллической решетки, на экране проецируется изображение модели строения металлов.

Модель металла - кристаллическая решетка, в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение.

Под действием электрического поля движутся свободные электроны. 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

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 сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s=8000 км), приходит туда примерно через 0,03с. А теперь можно переходить к познанию внешнего мира. Закончили электрический ток в металлах. Переходим к следующему блоку «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.

Химическое действие тока. Химическое действие электрического 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 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 (CuSО 4) на отрицательно заряженном электроде выделится чистая медь (Сu). Это используют для получения чистых металлов. Путем электролиза получают алюминий,химические чистые металлы, производят никелирование, хромирование, золочение. Для защиты металлов от коррозии их поверхность часто покрывают трудно окисляемыми металлами, т. е. производят никелирование или хромирование. Этот процесс называется гальваностегией. Ребята,какие способы защиты металлов от коррозии вы знаете?

итайский философ Конфуций как -то сказал «Хорошо обладать природным дарованием, но упражнения, друзья, дают нам больше, чем природное дарование». Русская пословица гласит: « Учиться всегда пригодится » .1) 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.)

Скачать:

Предварительный просмотр:

Урок по физике в 8 классе.

Тема «Электрический ток в металлах»

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 – 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 медного купороса, электромагнит, медная и цинковая пластинки, модель кристаллической решетки, гальванометр.

ТСО : компьютерная презентация, мультимедийный проектор.

Демонстрации:

1) Сборка простейших электрических цепей.

2) Выделение меди при электролизе медного купороса

3)Действие катушки с током, как электромагнита.

План урока.

1. Актуализация знаний(10 мин).
2. Изучение нового материала «Электрический ток в металлах» (10 мин)

«Действия электрического тока» (12 мин)

1. Закрепление (9 мин)
2. Домашнее задание (2мин)
3. Подведение итогов (2 мин)

Ход урока.

Объявление темы, целей урока.

1) Актуализация знаний -10 мин.

Здравствуйте ребята!

Как наша прожила б планета,

Как люди жили бы на ней

Без теплоты, магнита, света

И электрических лучей.

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

Вопросы:

1. Что называется электрическим током?
2. Что необходимо, чтобы в цепи существовал электрический ток?

3) Работа со схемами: назвать предложенные основные части электрической цепи

Предложены обозначения: электрическая лампа, ключ, амперметр, вольтметр, источник тока, звонки др.

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

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

1. Какие нарушения вы заметили? Почему не горит исправная лампа в первой цепи при замыкании ключа? Ответ. Электрическая цепь имеет разрыв. Чтобы лампа загорелась, в цепи должен существовать электрический ток, а это возможно при замкнутой цепи, состоящей только из проводников электричества.

2) Чем проводники отличаются от непроводников или изоляторов? Ответ. Ученики устраняют разрыв. Лампа загорается.

2. Почему не звенит звонок во второй цепи при замыкании цепи? Ответ. 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. Для существования электрического тока необходимы следующие условия: --------наличие свободных электрических зарядов в проводнике; -наличие внешнего электрического поля для проводника. Ученик, подсоединив к цепи источник тока, демонстрирует правильный ответ.

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? Ответ. 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. Заземление выполняют из металла. Учитель. Почему предпочитают именно металлы? На этот вопрос мы ответим после изучения новой темы “Электрический ток в металлах”. Запишите тему урока в тетрадь.

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.

Сегодня мы познакомимся с важным свойством металлов – электропроводностью. Вспомним строение металлов. Демонстрация модели кристаллической решетки, на экране проецируется изображение модели строения металлов.

Модель металла - кристаллическая решетка, в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение.

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 кристаллической решётки металла расположены положительные ионы, а в пространстве между ними 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? Под действием электрического поля движутся свободные электроны. 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

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 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 0,03с. А теперь можно переходить к познанию внешнего мира. Закончили 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. Программный диск Уроки физики 8 класс. Виртуальная школа Кирилла и Мефодия

Химическое действие тока. Химическое действие электрического 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 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 (CuSО 4 ) на отрицательно заряженном электроде выделится чистая медь (Сu). Это используют для получения чистых металлов. Путем электролиза получают алюминий,химические чистые металлы, производят никелирование, хромирование, золочение. Для защиты металлов от коррозии их поверхность часто покрывают трудно окисляемыми металлами, т. е. производят никелирование или хромирование. Этот процесс называется гальваностегией. Ребята,какие способы защиты металлов от коррозии вы знаете?

Магнитное действие тока. Опыт. Катушку с железным сердечником включаем в цепь и наблюдает притяжение металлических предметов. Использование магнитного действия тока в гальванометрах. Гальванометр. Схематическое обозначение Закрепление изученного материала. Вопросы по новой теме. К итайский философ Конфуций как -то сказал «Хорошо обладать природным дарованием, но упражнения, друзья, дают нам больше, чем природное дарование». Русская пословица гласит: « Учиться всегда пригодится » .1) 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.)

Домашнее задание. П. 34,35Л. №1260, 1261. Подготовить сообщение о металлах «Алюминий», «Золото», «Железо»

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.

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.

На данном уроке мы познакомимся с тем, почему возникает электрический ток в металлах, поясним, почему металлы являются хорошими проводниками. Кроме того, изучим действия электрического тока и его направление. Мы рассмотрим эксперимент Рикке, подтверждающий то, что металлический проводник практически не меняется при протекании по нему электрического тока, выясним, какие действия тока больше всего используются человеком в технике и быту, а также поймём, почему направление тока не совпадает с направлением движения электронов.

Тема: Электрические явления

Урок: Электрический ток в металлах. Действия электрического тока. Направление тока

На предыдущих уроках мы изучили практически все понятия, связанные с возникновением электрического тока: электрические заряды, электрическое поле, источники тока, простейшие электрические цепи и электрические схемы. Теперь нам предстоит выяснить, как течёт электрический ток в металлах, какие действия оказывает электрический ток, а также направление тока.

Металлы, как мы выяснили из экспериментов на предыдущих уроках, хорошо проводят электрический ток. Для того чтобы пояснить этот факт, зададимся вопросом: а что же такое металлы?

Металлы, как правило, - это поликристаллические вещества (состоящие из множества кристаллов) (Рис. 1, 2).

Рис. 2. Структура железа ()

То есть, в металлах мы имеем дело с упорядоченной структурой атомов: каждый атом находится на своём конкретном месте.

Как мы уже знаем, вокруг ядра атомов движутся электроны.

Что же даёт возможность появления свободных электрических зарядов?

Дело в том, что дальние электроны (те, которые находятся на самых удалённых от ядра орбитах) довольно слабо связаны с ядром. Поэтому они могут довольно легко переходить от одного атома к другому. Такое беспорядочное движение электронов чем-то напоминает электронный газ. Если внутри металла нет электрического поля, то движение этих свободных электронов чем-то напоминает движение поднятого в воздух роя мошкары в летний день (Рис. 3).

Рис. 3. Движение электронов внутри металлического проводника ()

Всё изменяется, когда внутри металла появляется электрическое поле. Электрическое поле заставляет двигаться заряженные частицы. Ядра атомов остаются на месте, а вот электроны начинают упорядоченно двигаться.

Электроны, перескакивая от одного атома к другому, движутся в том направлении, куда им указывает электрическое поле. Это движение и называется электрическим током в металлах .

Мы знаем, что электрический ток - это направленное, упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах в роли движущихся заряженных частиц выступают электроны . В других веществах это могут быть ионы или ионы и электроны.

Движение заряженных частиц (в металлах - электронов) происходит очень медленно (доли миллиметров в секунду). Возникает вопрос: почему же, когда мы нажимаем на выключатель, лампочка загорается практически мгновенно?

Дело в том, что внутри проводников с огромной скоростью (со скоростью света - приблизительно 300 000 километров в секунду) распространяется электрическое поле.

При замыкании цепи поле распространяется практически мгновенно. А уже вслед за полем начинают медленно двигаться электроны, причём сразу по всей цепи. Эту ситуацию можно сравнить с движением воды в водопроводе. Воду заставляет двигаться давление в трубах, которое при открытии крана распространяется практически мгновенно, заставляя «ближайшую» к крану воду выливаться. При этом по трубам движется вся вода под этим самым давлением. Получается, что давление - это аналог электрического поля, а вода - аналог электронов. Как только прекращается действие электрического поля, сразу прекращается упорядоченное движение электрических зарядов.

Возникает логичный вопрос: а не изменяется ли проводник из-за того, что из него «ушли» электроны? Опыт по подтверждению того, что все электроны одинаковые, был проведён немецким учёным Рикке (Рис. 4) тогда, когда на трамвайных линиях использовали три разных проводника: алюминиевый и два медных.

Рис. 4. Карл Виктор Рикке ()

Рикке в течение года наблюдал за последовательным соединением трёх проводников: медь + алюминий + медь. Поскольку ток в трамвайных линиях течёт довольно большой, то эксперимент позволял дать однозначный ответ: одинаковы ли электроны, которые являются носителями отрицательного заряда в разных проводниках.

За год масса проводников не изменилась, диффузии не произошло, то есть структура проводников осталась неизменной. Из этого следовал вывод, что электроны могут переходить из одного проводника в другой, но структура их при этом не изменится.

Поговорим теперь о том, какое действие оказывает электрический ток. За счёт чего он получил такое широкое применение в быту и технике?

Можно выделить три основных действия электрического тока:

1. Тепловое. При прохождении тока проводник нагревается. Это одно из самых главных действий тока, которое используется человеком. Самый простой пример - некоторые бытовые обогреватели (Рис. 5).

Рис. 5. Электрообогреватель ()

2. Химическое. Проводник может изменять химический состав при прохождении по нему тока. В частности, при помощи электрического тока добывают некоторые металлы в чистом виде, выделяя их из различных соединений. К примеру, таким образом получают алюминий (Рис. 6).

Рис. 6. Электролизный цех алюминиевого завода ()

3. Магнитное. Если по проводнику течёт ток, то магнитная стрелка вблизи такого проводника изменит своё положение.

Теперь поговорим о направлении электрического тока .

За направление электрического тока принимается направление движения положительных электрических зарядов.

Но только что мы говорили о том, что ток в металлах создают движущиеся электроны, которые имеют отрицательный заряд. Почему же возникает такое противоречие?

Когда возник вопрос о направлении электрического тока, ещё никто не знал о существовании электронов. Было решено считать, что ток движется в направлении движения положительных зарядов. Прошло время, учёные выяснили, что в металлах, в частности, движутся электроны, но было решено оставить всё в прежнем виде. Это связано с тем, что знак заряда нас практически не интересует, гораздо больше нас интересует само действие тока.

Движение электронов в проводнике противоположно направлению электрического поля (Рис. 7).

Рис. 7. Движение электронов в проводнике ()

На этом уроке мы выяснили, как течёт ток в металлах, узнали о действиях электрического тока, а также определили направление тока.

На следующем уроке мы начнём знакомиться с числовыми характеристиками тока.

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

Дополнительные р екомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Фестиваль педагогических идей «Открытый урок» ().
2. Фестиваль педагогических идей «Открытый урок» ().

Домашнее задание

1. П. 34-36, вопросы 1-4, стр. 81, вопросы 1-7, стр. 83, вопросы 1-3, стр. 84. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
2. В каких устройствах используется тепловое действие тока? Магнитное действие?
3. Какие действия тока можно наблюдать, пропуская ток через морскую воду?