Prezentare pe tema „curent electric în metale”.Prezentare fizică pe tema „curent electric în metale” Explicație – bazată pe teoria cuantică

Lector: Ph.D. dr., conferențiar
Veretelnik Vladimir Ivanovici

Curentul electric în metale

1.
2.
3.
4.
5.
Experiența lui Tolman-Stuart.
Teoria clasică a conducerii
metale - Teoria lui Drude-Lorentz.
legea lui Ohm și legea lui Joule-Lenz
teoria clasică a conductivității electrice.
Supraconductivitate.
Tranziția electron-gaură.
Tranzistoare.

Curentul electric în metale

Curentul electric din metale este
mișcarea ordonată a electronilor
prin acţiunea unui câmp electric.
Cea mai convingătoare dovadă
natura electronică a curentului în metale a fost
obţinute în experimente cu inerţia electronică
(Experiența lui Tolman și Stewart).
Bobina cu un număr mare de spire subțiri
firele au fost aduse în rotație rapidă
în jurul axei sale.
Capetele bobinei cu fire flexibile
erau atașați de sensibil
galvanometru balistic.

Curentul electric în metale

Bobina nerăsucită brusc
a frânat și s-a ridicat în lanț
curent pe termen scurt datorat
inerția purtătorului de sarcină.
Sarcina totală care curge prin circuit
a fost măsurată prin respingerea săgeții
galvanometru.

Curentul electric în metale

La frânarea unei bobine rotative, pentru fiecare
purtătorul de sarcină e acţionează o forţă de frânare, care
joacă rolul unei forțe exterioare, adică o forță
origine neelectrică.
Forța externă, raportată la unitatea de sarcină, conform
definiția este intensitatea câmpului Est
forțe exterioare:
Prin urmare, în circuit la frânarea bobinei
apare o forță electromotoare:

Curentul electric în metale

unde l este lungimea firului bobinei. În timpul decelerarii
bobină, o sarcină q va curge prin circuit, egală cu:
Aici I este valoarea instantanee a curentului din bobină, R este
impedanța circuitului, υ0 - liniar inițial
viteza firului.
De aici și taxa specifică e/m a purtătorilor de curent liber
în metale este egal cu:
Conform datelor moderne, modulul de încărcare a electronilor
(sarcina elementară) este

Curentul electric în metale

Taxa specifică
Conductivitate electrică bună a metalelor
explicată prin concentrația mare
electroni liberi, egali în ordine
numărul de atomi pe unitatea de volum.
Presupunerea că electricitate
electronii sunt responsabili în metale,
mult mai devreme decât experimentele lui Tolman şi Stuart.
În 1900, savantul german P. Drude
baza ipotezei existenţei libertăţii
electronii din metale au creat un electronic
teoria conductivității metalelor.

Curentul electric în metale

Această teorie a fost dezvoltată în lucrările olandezilor
fizica lui H. Lorentz și se numește clasică
teoria electronică.
Conform acestei teorii, electronii din metale se comportă
ca un gaz de electroni, asemănător în multe privințe cu un ideal
gaz.
Gazul de electroni umple spațiul dintre ioni,
formând o rețea cristalină metalică
Datorită interacțiunii cu ionii, electronii pot
lăsați metalul, depășind doar așa-numitul
bariera potentiala.
Înălțimea acestei bariere se numește funcție de lucru.
La temperaturi obișnuite (camerei), electronii nu
suficientă energie pentru a depăși potențialul
barieră.

Curentul electric în metale

Conform teoriei Drude-Lorentz,
electronii au aceeași medie
energia mișcării termice, precum și
molecule ideale monoatomice
gaz.
Acest lucru ne permite să estimăm media
viteza de miscare termica
electroni după formulele teoriei cinetice moleculare.
La temperatura camerei
se dovedește a fi aproximativ egală cu 105 m/s.

Curentul electric în metale

La aplicarea unui extern
câmp electric în
conductor metalic cu excepţia
mișcarea termică a electronilor
ordonat lor
mișcare (deriva), adică
electricitate.

Curentul electric în metale

Estimarea vitezei de derive
arată că pentru metal
conductor cu secțiunea transversală de 1 mm2, de-a lungul căruia
curge un curent de 10 A, această valoare se află în
în interval de 0,6–6 mm/s.
Deci viteza medie
mișcarea ordonată a electronilor în
mulți conductori metalici
ordine de mărime mai mică decât viteza lor medie.
mișcarea termică.

Curentul electric în metale

Viteză lentă de deriva pe contrazicere
fapt experimental că curentul din întregul circuit
curent continuu instalat practic
imediat.
Închiderea circuitului cauzează propagarea
câmp electric cu viteza c = 3 108 m/s.
După un timp de ordinul l / s (l este lungimea lanțului)
de-a lungul lanțului un staționar
distribuţia câmpului electric şi în acesta
începe mișcarea ordonată
electroni.

Curentul electric în metale

În teoria electronică clasică a metalelor
se presupune că mişcarea electronilor
respectă legile mecanicii newtoniene.
Această teorie neglijează interacțiunea
electronii între ei și interacțiunea lor
cu ioni pozitivi se reduc doar la
ciocniri.
De asemenea, se presupune că pentru fiecare
coliziune, electronul transferă întregul
energia stocată în câmpul electric și
deci după ciocnire începe
mișcare cu viteză de deriva zero.

Curentul electric în metale

Deși toate aceste presupuneri sunt
foarte aproximativ, electronic clasic
teoria explică calitativ legile electricității
curent în conductorii metalici.
Legea lui Ohm. Între impacturi asupra
asupra electronului acţionează o forţă egală în modul eE, in
determinând-o să accelereze
Prin urmare, până la sfârșitul alergării libere, deriva
viteza electronului este

Curentul electric în metale

unde τ este timpul liber de rulare,
care, pentru a simplifica calculele
presupus a fi la fel pentru toți
electroni.
Valoarea medie a deriva
egală cu jumătate din maxim
valori:

Curentul electric în metale

Se consideră un conductor de lungime l și secțiune transversală S cu
concentrația de electroni n.
Curentul dintr-un conductor poate fi scris astfel:
unde U = El este tensiunea la capetele conductorului.
Formula rezultată exprimă legea lui Ohm pentru
conductor metalic.
Rezistența electrică a conductorului
este egal cu:

Curentul electric în metale

Rezistivitatea ρ și specifică
conductivitatea σ sunt exprimate
rapoarte:
Legea Joule-Lenz. Până la sfârșit
electroni pe cale liberă
dobândit sub acţiunea terenului
energie kinetică

Curentul electric în metale

Conform ipotezelor făcute,
toată această energie este transferată rețelei la
ciocnire și se transformă în căldură.
În timpul Δt, fiecare electron
experimentează coliziuni Δt / τ.
Într-un conductor cu secțiunea transversală S și lungimea l
există electroni nSl.
De aici rezultă că
conductor în timpul Δt căldură este egală cu:

Curentul electric în metale

Acest raport exprimă
Legea Joule-Lenz.
Astfel, electronică clasică
teoria explică existenţa
rezistență electrică metale,
Legile Ohm și Joule-Lenz.
Cu toate acestea, într-o serie de probleme clasicul
teoria electronică duce la concluzii,
in conflict cu experienta.

Curentul electric în metale

Această teorie nu poate explica, de exemplu, de ce
capacitatea de căldură molară a metalelor, precum și molară
capacitatea termică a cristalelor dielectrice, egală cu 3R,
unde R este constanta universală a gazului (legea
Dulong și Petit.)
Teoria clasică a electronilor nu poate
explicați dependența de temperatură a specificului
rezistență metalică.
Teoria dă
în timp ce din experiment
se obţine dependenţa ρ ~ T.
Cu toate acestea, cel mai frapant exemplu al discrepanței dintre teorie și
experimentele este supraconductivitate.

Curentul electric în metale

Pentru unele specifice
temperatura Tcr, diferit pentru diferit
substante rezistivitate
sare la zero.
Temperatura critică pentru mercur este
4,1 K, aluminiu 1,2 K, staniu 3,7 K.
Se observă supraconductivitate
doar pentru elemente, dar și pentru multe
compuși chimici și aliaje.

Curentul electric în metale

De exemplu, un compus de niobiu cu staniu
(Ni3Sn) are o temperatură critică
18 K.
Unele substanțe care trec prin
temperaturi scăzute în supraconductor
stare, nu sunt conductori
la temperaturi normale.
În același timp, atât de „bun”
conductoare precum cuprul și argintul
devin supraconductori când
temperaturi scăzute.

Curentul electric în metale

Substanțe în supraconductor
capabil să posede
proprietăți excepționale.
Aproape cel mai important
ei este abilitatea
mult timp (multi ani)
mentine fara a se estompa
curent electric excitat în
circuit supraconductor.

Curentul electric în metale

Teoria clasică a electronilor nu este
capabil să explice fenomenul
supraconductivitate. Explicaţie
a fost dat mecanismul acestui fenomen
la numai 60 de ani de la descoperirea sa
bazat pe mecanica cuantică
reprezentări.
Interes științific pentru supraconductivitate
crescut ca nou
materiale cu mai mare
temperaturi critice.

Curentul electric în metale

Un pas semnificativ în această direcție a fost
1986, când a fost descoperit acel complex
compus ceramic Tcr = 35 K.
Deja în următorul 1987, fizicienii au reușit să creeze
ceramică nouă cu o temperatură critică de 98 K,
depăşirea temperaturii azotului lichid (77 K).
Fenomenul de trecere a substanțelor în supraconductor
stare la temperaturi peste temperatură
fierbere azot lichid, a fost numit
supraconductivitate la temperaturi ridicate.
În 1988, a fost creat un compus ceramic pe
pe baza elementelor Tl–Ca–Ba–Cu–O cu o critică
temperatura 125 K.
De remarcat că până acum mecanismul
ceramică cu supraconductivitate la temperatură ridicată
materialul nu a fost încă pe deplin elucidat.

1.
2.
3.
4.
Diferența calitativă dintre semiconductori și
metale.
Mecanismul electron-gaură
conductivitate pur pur
semiconductori.
Conductivitate electronică și orificiu
semiconductori de impurități. Donator și
impurități acceptoare.
Tranziția electron-gaură.
dioda semiconductoare. tranzistor.

Curentul electric în semiconductori

Semiconductorii sunt
multe elemente chimice (germaniu,
siliciu, seleniu, teluriu, arsenic etc.),
o gamă largă de aliaje şi
compuși chimici.
Aproape toate substanțele anorganice
lumea în jurul nostru -
semiconductori.
Cel mai frecvent în natură
siliciul este un semiconductor
alcătuind aproximativ 30% din scoarța terestră.

Curentul electric în semiconductori

Diferență calitativă
semiconductori din metale
se manifestă în primul rând în
specific
rezistenta la temperatura.

Curentul electric în semiconductori

Un astfel de comportament al dependenței ρ(T) arată că
că semiconductorii au o concentrație
fără transportatori de taxe gratuite
rămâne constantă dar crește cu
cresterea temperaturii.
Să luăm în considerare acest mecanism din punct de vedere calitativ.
pe exemplul germaniului (Ge).
Într-un cristal de siliciu (Si), mecanismul
asemănătoare.

Curentul electric în semiconductori

atomii de germaniu au patru slab
electron legat pe învelișul exterior.
Se numesc electroni de valență.
Într-o rețea cristalină, fiecare atom
înconjurat de patru vecini cei mai apropiați.
Legătura dintre atomi în cristalul de germaniu
este covalentă, adică efectuată
perechi de electroni de valență.
Fiecare electron de valență aparține a doi
atomi.

Curentul electric în semiconductori

Electroni de valență într-un cristal de germaniu
sunt mult mai puternic legate de atomi decât în
metale.
Prin urmare, concentrația de electroni
conductivitate la temperatura camerei in
semiconductorii sunt cu multe ordine de mărime mai mici,
decât metalele.
Temperatura aproape de zero absolut înăuntru
cristal de germaniu în care sunt ocupați toți electronii
formarea de conexiuni.
Un astfel de cristal de curent electric nu este
conduce.

Curentul electric în semiconductori

Perechi-legături electronice într-un cristal
germaniul și formarea unei perechi electron-gaură.

Curentul electric în semiconductori

Pe măsură ce temperatura crește, unii
unii dintre electronii de valență
obține suficientă energie pentru a
ruperea legăturilor covalente.
Apoi vor apărea cristale libere în cristal.
electroni (electroni de conducere).
În același timp, în locurile în care legăturile sunt rupte
sunt posturi vacante care nu sunt ocupate
electroni.
Aceste posturi vacante sunt numite
„găuri”.

Curentul electric în semiconductori

Postul vacant poate fi ocupat
electron de valență de la vecin
perechi, atunci gaura se va muta la
un nou loc în cristal.
Dacă un semiconductor este plasat în
câmp electric, apoi într-un ordonat
mişcarea implică nu numai
electroni liberi, dar și găuri,
care se comportă pozitiv
particule încărcate.

Curentul electric în semiconductori

Prin urmare, curentul I în semiconductor
este format din electronic In si
curenți Ip de gaură:
I = In + IP.
Mecanismul electron-gaură
conductivitatea apare numai
în pur (adică, fără impurități)
semiconductori. Se numeste
electric propriu
conductivitate semiconductoare.

Curentul electric în semiconductori

În prezența impurităților
conductivitatea electrică a semiconductorilor
se schimba foarte mult.
De exemplu, adăugarea de impurități de fosfor la
cristal de siliciu în cantitate de 0,001
procentul atomic reduce specificul
rezistență mai mare de cinci
Comenzi.
O influență atât de puternică a impurităților poate
fi explicat pe baza
deasupra conceptului de structură
semiconductori.

Curentul electric în semiconductori

O condiție necesară pentru un ascuțit
scăderea rezistivității
semiconductor cu introducerea de impurități
este diferența de valență a atomilor
impurități din valența principalului
atomi de cristal.
Conductibilitatea semiconductorilor la
se numeste prezenta impuritatilor
conductivitatea impurităților.

Curentul electric în semiconductori

Există două tipuri de impurități
conductivitate – electronică şi
conductivitatea găurii.
Conductivitate electronică
apare atunci când cristalul
germaniu cu tetravalent
atomi introduși pentavalent
atomi (de exemplu, atomi de arsen,
La fel de).

Curentul electric în semiconductori

Patru electroni de valență ai unui atom de arsen
incluse în formarea legăturilor covalente cu
patru atomi de germaniu adiacenți.
Al cincilea electron de valență s-a dovedit a fi redundant.
Se desprinde uşor de atomul de arsenic şi
devine liber.
Un atom care a pierdut un electron devine
un ion pozitiv situat la un nod
rețea cristalină.

Curentul electric în semiconductori

Un amestec de atomi cu valență,
depăşind valenţa atomilor principali
se numește cristal semiconductor
impuritate donatoare.
Ca urmare a introducerii sale în cristal
există un număr semnificativ de libere
electroni.
Acest lucru duce la o scădere bruscă a specificului
rezistența semiconductoarelor – în mii și
chiar de milioane de ori.
Rezistivitatea conductorului cu
conținut ridicat de impurități
se apropie de rezistivitate
conductor metalic.

Curentul electric în semiconductori

O astfel de conductivitate
conditionat de liber
electroni se numește
electronică și un semiconductor,
posedă un electronic
conductivitatea se numește
semiconductor de tip n.

Curentul electric în semiconductori

Conducerea orificiilor apare atunci când
cristal de germaniu introdus trivalent
atomi (de exemplu, atomi de indiu, In).

Curentul electric în semiconductori

Pe fig. arată atomul de indiu cu care a fost creat
cu electronii lor de valență
legături covalente cu doar trei vecini
atomi de germaniu.
Pentru a forma o legătură cu al patrulea atom
germaniul nu are electron în atomul de indiu.
Acest electron lipsă ar putea fi
capturat de un atom de indiu dintr-o legătură covalentă
atomii de germaniu vecini.
În acest caz, atomul de indiu devine
un ion negativ situat la un nod
rețea cristalină și în covalent
legături ale atomilor vecini, se formează un loc vacant.

Curentul electric în semiconductori

Un amestec de atomi capabili să capteze
electroni se numesc acceptor
impuritate.

Ca urmare a introducerii unei impurități acceptoare în
cristalul este sfâșiat de mulți covalenti
legături și formate posturi vacante(găuri).
Electronii pot sări în aceste locuri din
legături covalente adiacente, rezultând
rătăcirea haotică a găurilor din cristal.

Curentul electric în semiconductori

Concentrația găurilor dintr-un semiconductor cu
impuritate acceptor
depășește concentrația de electroni
a apărut datorită mecanismului propriu
conductivitate electrică semiconductoare: np >> nn.
Acest tip de conducere se numește
conducerea orificiilor.
Semiconductor impur cu o gaură
conductivitatea se numește semiconductor
tip p.
Principalii transportatori de taxe gratuite în
semiconductorii de tip p sunt găuri.

Curentul electric în semiconductori

Trebuie subliniat faptul că gaura
conductivitate în realitate
din cauza cursei de ștafetă
prin locuri vacante de la un atom de germaniu la
alţi electroni, care
realizează o legătură covalentă.
Pentru semiconductori de tip n și p, legea
Ohm este efectuat în anumite
intervale de curent şi tensiune la
condiţia de constanţă a concentraţiilor
transportatori liberi.

În tehnologia electronică modernă
dispozitivele semiconductoare joacă
rol excepțional.
În ultimele trei decenii, au făcut-o
electrovacuum înlocuit complet
aparate.
Fiecare dispozitiv semiconductor are
una sau mai multe găuri de electroni
tranziții.
O joncțiune electron-gaură (sau joncțiune n-p) este aria de contact dintre două
semiconductori cu diferite tipuri
conductivitate.

Tranziția electron-gaură. tranzistor

Când doi semiconductori n- şi
tipurile p, începe procesul de difuzie:
găurile din regiunea p merg în regiunea n, iar electronii, dimpotrivă, din regiunea n în regiunea p.
Ca urmare, în regiunea n din apropierea zonei
concentrația de contact scade
electroni și ia naștere pozitiv
strat încărcat.
În regiunea p, concentrația scade
găuri și apare negativ
strat încărcat.

Tranziția electron-gaură. tranzistor

Astfel, la limita semiconductorilor
se formează un strat dublu electric
al cărui câmp electric împiedică
procesul de difuzie a electronilor și a găurilor
unul față de celălalt

Tranziția electron-gaură. tranzistor

joncțiunea n–p are un uimitor
proprietatea unilaterală
conductivitate.
Dacă un semiconductor cu o joncțiune n–p
conectat la o sursă de alimentare astfel încât
polul pozitiv al sursei
conectat la regiunea n și
negativ - cu o regiune p, atunci
intensitatea câmpului în stratul barieră
crește.

Tranziția electron-gaură. tranzistor

Găurile din regiunea p și electronii din regiunea n vor fi deplasați de la joncțiunea n-p, crescând astfel
concentrarea purtătorilor minori în
strat de blocare.
Curentul prin joncțiunea n–p practic nu este
merge.
Tensiunea aplicată joncțiunii n–p în
in acest caz se numeste invers.

Tranziția electron-gaură. tranzistor

Un revers foarte ușor
curentul se datorează numai propriei sale
conductivitate
materiale semiconductoare,
adică prezența unui mic
gratuit
electroni în regiunea p și găuri în
n-regiune.

Tranziția electron-gaură. tranzistor

Dacă joncțiunea n–p este conectată la
sursa astfel încât pozitiv
polul sursă a fost conectat la regiunea p, iar cel negativ la regiunea n, apoi intensitatea
câmp electric în stratul de barieră
va scădea, făcându-l mai ușor
trecerea principalilor transportatori prin
strat de contact.

Tranziția electron-gaură. tranzistor

Găuri din regiunea p și electroni din
n-regiune, deplasându-se unul spre celălalt
prieten, va traversa joncțiunea n-p, creând un curent în înainte
direcţie.
Curentul prin joncțiunea n–p în aceasta
cazul va crește cu
creșterea tensiunii sursei.

Tranziția electron-gaură. tranzistor

Capacitatea joncțiunii n–p de a trece
curent în aproape doar unul
direcția este utilizată în instrumente,
care se numesc
diode semiconductoare.
Diode semiconductoare
realizate din cristale de siliciu
sau Germania.
În fabricarea lor, un cristal cu un anumit tip de conductivitate este topit
impuritate oferind un alt tip
conductivitate.

Tranziția electron-gaură. tranzistor

Volt-amper tipic
caracteristica diodei de siliciu

Tranziția electron-gaură. tranzistor

Semiconductori nu cu
unul, dar cu două joncțiuni n–p
se numesc tranzistori.
Tranzistoarele sunt de două tipuri:
tranzistoare p–n–p și n–p–n tranzistoare.

Tranziția electron-gaură. tranzistor

De exemplu, un tranzistor cu germaniu
tipul p-n-p este
o placă mică de germaniu
cu o impuritate donatoare, adică din
semiconductor de tip n.
Acest disc conține două
zone cu o impuritate acceptoare,
adică regiuni cu o gaură
conductivitate.

Tranziția electron-gaură. tranzistor

Într-un tranzistor de tip n-p-n, principalul
placa de germaniu are
conductivitate de tip p, și creat pe
are două regiuni - cu conductivitate de tip n.
Placa tranzistorului se numește bază.
(B), una dintre zonele cu
tip opus de conducere
- colector (K), iar al doilea -
emițător (E).

Tranziția electron-gaură. tranzistor

1.
2.
3.
4.
electroliti. Încărcați transportatorii în
electroliti.
Electroliză. electrolitic
disociere.
Legea lui Faraday pentru electroliză.
Legea combinată a lui Faraday pentru
electroliză.

Curentul electric în electroliți

Electroliții se numesc
medii conductoare în care
fluxul de curent electric
insotita de un transfer
substante.
Transportatorii de taxe gratuite în
electroliţii sunt
pozitiv și negativ
ioni încărcați.

Curentul electric în electroliți

Reprezentanți cheie
electroliți utilizați pe scară largă în
tehnică, sunt soluții apoase
acizi anorganici, săruri și
temeiuri.
Trecerea curentului electric prin
electrolitul este însoțit de eliberare
substanțe de pe electrozi.
Acest fenomen a fost numit
electroliză.

Curentul electric în electroliți

Curentul electric în electroliți
reprezintă mișcarea ionilor ambilor
semne în direcții opuse.
Ionii pozitivi se deplasează spre
electrod negativ (catod),
ionii negativi spre pozitivi
electrod (anod).
Ionii ambelor semne apar în apă
soluții de săruri, acizi și alcaline în
ca urmare a scindării unei părți din neutru
molecule.
Acest fenomen se numește electrolitic
disociere.

Curentul electric în electroliți

De exemplu, clorură de cupru CuCl2
se disociază în soluție apoasă pe
ioni de cupru și clorură:
La conectarea electrozilor la
sursă de ioni de curent sub acţiune
pornirea câmpului electric
miscare ordonata:
ionii de cupru pozitivi se deplasează spre
catod și încărcat negativ
ioni de clorură - la anod.

Curentul electric în electroliți

La atingerea catodului, ionii de cupru sunt neutralizați
electroni în exces ai catodului şi
devin atomi neutri
depus pe catod.
Ionii de clor, ajungând la anod, dau dar
un electron.
După aceea, atomi de clor neutri
se unesc pentru a forma molecule
clor Cl2.
Clorul este eliberat la anod sub formă de bule.

Curentul electric în electroliți

Legea electrolizei a fost experimental
stabilit de fizicianul englez M. Faraday în
1833.
Legea lui Faraday determină cantitățile
produse primare care ies în evidență
electrozi în timpul electrolizei:
Masa m a substanței eliberate pe
electrod, este direct proporțional cu sarcina Q,
trecut prin electrolit
m = kQ = kIt.
Valoarea k se numește electrochimic
echivalent.

Curentul electric în electroliți

Masa substanței eliberată pe electrod
este egală cu masa tuturor ionilor care au ajuns la
electrod:
Aici m0 și q0 sunt masa și sarcina unui ion,
este numărul de ioni care au ajuns la electrod la
sarcina Q care trece prin electrolit.
Deci echivalentul electrochimic
k este egal cu raportul dintre masa m0 a ionului dat
substanță la sarcina sa q0.

Curentul electric în electroliți

Deoarece sarcina unui ion este egală cu produsul
valenţa substanţei n on
sarcina elementară e (q0 = ne), atunci
expresie pentru electrochimic
echivalentul k poate fi scris ca:
F = eNA este constanta lui Faraday.
F = eNA = 96485 C/mol.

Curentul electric în electroliți

Constanta lui Faraday din punct de vedere numeric
egală cu taxa cerută
trece printr-un electrolit
descărcare pe electrodul unuia
mol de substanță monovalentă.
Legea lui Faraday pentru electroliză
ia forma:

întrebări de testare

1.
2.
3.
4.
5.
6.
Purtători de încărcare din metale.
Scurte informații despre teoria clasică
conductivitatea metalelor (teoria Drude-Lorentz).
Legea lui Ohm din teoria clasică (scurtă
ieșire).
Legea Joule-Lenz din teoria clasică
conductivitate (scurtă concluzie).
Ce probleme fizice nu pot fi explicate
teoria clasică a conductivității metalelor.
Scurte informații despre supraconductivitate.

întrebări de testare

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Electroni și găuri. Cum se formează în pură
semiconductori?
Mecanism de conducere în semiconductori puri.
Semiconductori donor și acceptor.
Mecanism de conducere în semiconductori de impurități.
Cum se efectuează electron și gaură
conductivitate în semiconductori.
Ce este o tranziție electron-gaură?
Explicați de ce tranziția electron-gaură
poate redresa curentul alternativ.
tranzistor.

întrebări de testare

În ce se află purtătorii de taxe
electroliți?
2. Ce sunt electroliții? Ce s-a întâmplat
disociere electrolitică?
3. Legea lui Faraday pentru electroliză.
4. Legea combinată a electrolizei
Faraday.

CURENTUL ELECTRIC ÎN METALELE

slide 2

Fundamentele teoriei electronice a conductivității La începutul secolului al XX-lea a fost creată teoria electronică clasică a conductivității metalelor (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), care a oferit o explicație simplă și vizuală a majorității proprietățile electrice și termice ale metalelor. Paul Drude Karl Ludwig - fizician german Hendrik Anton Lorenz - fizician olandez

slide 3

Mișcarea electronilor respectă legile mecanicii clasice. Electronii nu interacționează între ei. Electronii interacționează numai cu ionii rețelei cristaline, această interacțiune se reduce la o coliziune. În intervalele dintre ciocniri, electronii se mișcă liber. Electronii de conducere formează un „gaz de electroni”, ca un gaz ideal. „Gazul electronic” respectă legile unui gaz ideal. În orice coliziune, electronul transferă toată energia acumulată. Teoria electronică clasică Drude - Lorentz.

slide 4

Curentul electric în metale Ionii rețelei cristaline a metalului nu participă la crearea curentului. Mișcarea lor în timpul trecerii curentului ar însemna transferul de materie de-a lungul conductorului, care nu se observă. De exemplu, în experimentele lui E. Rikke (1901), masa și compoziție chimică conductorul nu s-a schimbat în timpul trecerii curentului în cursul anului.

slide 5

Concluzie: nu există transfer de materie \u003d\u003e 1) Ionii metalici nu participă la transferul sarcinii electrice. 2) Purtători de sarcină - particule care alcătuiesc toate metalele Experiența lui Rikke 1901

Slide 6: Electronii nu interacționează între ei, ci cu ionii rețelei cristaline. La fiecare ciocnire, electronul își transferă energia cinetică

Slide 7

Dovada experimentală că curentul din metale este creat de electroni liberi a fost dată în experimentele lui L.I. Mandelstam și N. D. Papaleksi (1913, rezultatele nu au fost publicate), precum și T. Stewart și R. Tolman (1916). Ei au descoperit că atunci când o bobină care se rotește rapid se oprește brusc, în conductorul bobinei ia naștere un curent electric, creat de particule încărcate negativ - electroni.

Slide 8

Experiența lui Mandelstam și Papaleksi Concluzie: Purtătorii de sarcină electrică se mișcă prin inerție 1913

Slide 9

Experiența lui Tolman și Stewart Concluzii: Purtătorii de sarcină din metal sunt particule încărcate negativ. Relația => Curentul electric din metale se datorează mișcării electronilor 1916

Slide 10: Ionii produc vibrații termice, în apropierea poziției de echilibru - nodurile rețelei cristaline. Electronii liberi se mișcă aleatoriu și se ciocnesc cu ionii rețelei cristaline în timpul mișcării lor.

diapozitivul 11

Un conductor metalic este format din: ioni încărcați pozitiv care oscilează în jurul poziției de echilibru și 2) electroni liberi care se pot mișca pe întregul volum al conductorului. Într-un metal, în absența unui câmp electric, electronii de conducere se mișcă aleatoriu și se ciocnesc, cel mai adesea cu ionii rețelei cristaline. Totalitatea acestor electroni poate fi considerată aproximativ ca un fel de gaz de electroni care respectă legile unui gaz ideal. Viteza medie a mișcării termice a electronilor la temperatura camerei este de aproximativ 105 m/s.

slide 12

Dependența rezistenței conductorului R de temperatură: Când este încălzit, dimensiunile conductorului se modifică puțin, dar în principal rezistivitatea se modifică. Rezistența specifică a conductorului depinde de temperatură: unde rho este rezistența specifică la 0 grade, t este temperatura, este coeficientul de temperatură al rezistenței (adică modificarea relativă a rezistivității conductorului atunci când este încălzit cu un grad)

diapozitivul 13

Pentru toți conductorii metalici, α > 0 și se modifică ușor cu temperatura. Pentru majoritatea metalelor în intervalul de temperatură de la 0 ° la 100 °C, coeficientul α variază de la 3,3⋅10–3 la 6,2⋅10–3 K–1 (Tabelul 1). În metalele pure din punct de vedere chimic, există aliaje speciale, a căror rezistență practic nu se modifică atunci când sunt încălzite, de exemplu, manganina și constantanul. Coeficienții lor de temperatură de rezistență sunt foarte mici și egali cu 1⋅10–5 K–1 și, respectiv, 5⋅10–5 K–1.

Slide 14

Astfel, la conductoarele metalice, cu creșterea temperaturii, rezistivitatea crește, rezistența conductorului crește, iar curentul electric din circuit scade. Rezistența unui conductor cu o schimbare de temperatură poate fi calculată prin formula: R = Ro (1 + t) unde Ro este rezistența conductorului la 0 grade Celsius t este temperatura conductorului - coeficientul de temperatură al rezistenței

Slide 15: Rezistența conductorului

Rezistența este o mărime fizică care caracterizează gradul de rezistență al unui conductor la mișcarea direcționată a sarcinilor. Rezistivitatea este rezistența unui conductor cilindric de lungime unitară și secțiune transversală unitară. Supraconductivitatea este un fenomen fizic constând într-o scădere bruscă a rezistenței la zero la o anumită temperatură critică (T cr) - rezistivitate, - lungimea conductorului, S - aria secțiunii transversale \u003d (1 + ∆ T) - rezistivitate la t \u003d 20 0 С; - coeficient de temperatură de rezistență = 1/273 0 K -1 ∆ T - schimbare de temperatură T, K 0 supraconductor metalic T cr 293

slide 16

Supraconductivitatea, proprietate a multor conductori, constând în faptul că rezistența lor electrică scade brusc la zero la răcire sub o anumită temperatură critică T k, caracteristică unui material dat. C. se găsesc în peste 25 de elemente metalice, într-un număr mare de aliaje și compuși intermetalici, precum și în unii semiconductori.

Slide 17

În 1911, fizicianul olandez Kamerling-Onnes a descoperit că atunci când mercurul este răcit în heliu lichid, rezistența sa se modifică mai întâi treptat, iar apoi la o temperatură de 4,2 K scade brusc la zero.

Slide 18

G. Kamerlingh-Onnes a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1913 „pentru studiile proprietăților materiei la temperaturi scăzute”. Ulterior s-a constatat că peste 25 de elemente chimice - metale la temperaturi foarte scăzute devin supraconductori. Fiecare dintre ele are propria sa temperatură critică de tranziție la o stare cu rezistență zero. Valoarea sa cea mai mică pentru wolfram este de 0,012 K, cea mai mare pentru niobiu este de 9 K. Supraconductivitatea este observată nu numai în metale pure, ci și în mulți compuși chimici și aliaje. În acest caz, elementele în sine, care fac parte din compusul supraconductor, pot să nu fie supraconductori. De exemplu, NiBi, Au2Bi, PdTe, PtSb și altele. Până în 1986, supraconductorii erau cunoscuti că au această proprietate la temperaturi foarte scăzute, sub –259°C. În 1986-1987, au fost descoperite materiale cu o temperatură de tranziție la starea supraconductoare de aproximativ -173 °C. Acest fenomen se numește supraconductivitate la temperatură ridicată, iar azotul lichid poate fi folosit în loc de heliu lichid pentru a-l observa.

Slide 19: Supraconductivitate

Academicianul V.L. Ginzburg, laureat al Premiului Nobel pentru munca sa despre supraconductivitate

Slide 20: Supraconductivitatea metalelor și aliajelor

Pentru multe metale și aliaje la temperaturi apropiate de T = 0 K, se observă o scădere bruscă a rezistivității - acest fenomen se numește supraconductivitate a metalelor. A fost descoperit de fizicianul olandez H. Kamerling - Ohness în 1911 în mercur (T cr = 4,2 o K). T P 0

slide 21: informații generale

Aproximativ jumătate din metale și câteva sute de aliaje au proprietatea de supraconductivitate. Proprietățile supraconductoare depind de tipul de structură cristalină. Schimbarea acestuia poate transfera materie din starea obișnuită în starea supraconductoare. Temperaturile critice ale izotopilor elementelor care trec în starea supraconductoare sunt legate de masele izotopilor prin relația: T e (M e) 1/2 = const (efect izotop) Un câmp magnetic puternic distruge efectul supraconductivității. Prin urmare, atunci când este plasat într-un câmp magnetic, proprietatea supraconductivității poate dispărea.

Slide 22: Reacția la impurități

Introducerea unei impurități într-un supraconductor reduce claritatea tranziției la starea supraconductoare. În metalele normale, curentul dispare după aproximativ 10 -12 s. Într-un supraconductor, curentul poate circula ani de zile (teoretic 105 ani!).

Slide 23: Natura fizică a supraconductivității

Fenomenul de supraconductivitate poate fi înțeles și fundamentat doar cu ajutorul conceptelor cuantice.Au fost prezentate în 1957 de oamenii de știință americani J. Bardin, L. Cooper, J. Schrieffer și academicianul sovietic N.N. Bogolyubov. În 1986, a fost descoperită supraconductibilitatea la temperatură înaltă a compușilor de lantan, bariu și alte elemente (T = 100 0 K este punctul de fierbere al azotului lichid).

slide 24

Cu toate acestea, rezistența zero nu este singurul semn distinctiv al supraconductivității. De asemenea, se știe din teoria Drude că conductivitatea metalelor crește odată cu scăderea temperaturii, adică rezistența electrică tinde spre zero.

Pornind de la supraconductorul nemișcat, magnetul plutește de la sine și continuă să se înalțe până când condițiile externe scot supraconductorul din faza supraconductoare. Ca urmare a acestui efect, un magnet care se apropie de un supraconductor va „vedea” un magnet cu polaritate inversă de exact aceeași dimensiune, ceea ce provoacă levitația.

Slide 27: Aplicarea supraconductivității

1. Se construiesc electromagneți puternici cu înfășurare supraconductoare, care creează un câmp magnetic fără a consuma energie electrică pe o perioadă lungă de timp, deoarece nu are loc degajare de căldură. 2. Magneții supraconductori sunt utilizați în acceleratoarele de particule elementare, magnetohidrodinamice și generatoare care convertesc energia unui jet de gaz ionizat fierbinte care se mișcă într-un câmp magnetic în energie electrică. 3. Supraconductivitatea la temperatură ridicată în viitorul apropiat va duce la o revoluție tehnică în electronica radio și ingineria radio. 4. Dacă este posibil să se creeze supraconductori la temperatura camerei, atunci generatoarele și motoarele electrice vor deveni extrem de compacte și va fi posibilă transmiterea energiei electrice pe distanțe mari fără pierderi.

Ultimul slide al prezentării: CURENTUL ELECTRIC ÎN METALELE: Resurse utilizate:

http://www.physbook.ru/index.php/ T._Electronic_conductivity_of_metals http://class-fizika.narod.ru/10_9.htm

Clasă: 11

Prezentare pentru lecție

Inapoi inainte

Atenţie! Previzualizarea slide-ului are doar scop informativ și este posibil să nu reprezinte întreaga amploare a prezentării. Dacă sunteți interesat acest lucru vă rugăm să descărcați versiunea completă.

Obiectivele lecției:

Dezvăluirea conceptului de natură fizică a curentului electric în metale, confirmarea experimentală a teoriei electronice;

Continuați formarea ideilor științifice naturale pe tema studiată

Creați condiții pentru formarea interesului cognitiv, a activității elevilor

Formarea deprinderilor;

Formarea comunicării comunicative.

Dotare: complex interactiv SMART Board Notebook, rețea locală de calculatoare, Internet.

Metoda de predare a lecției: combinată.

Epigraful lecției:

Străduiește-te să înțelegi știința din ce în ce mai profund,
Dor de cunoașterea eternului.
Doar prima cunoaștere va străluci asupra ta lumina,
Veți ști: nu există limită pentru cunoaștere.

Ferdowsi
(Poet persan și tadjic, 940-1030)

Planul lecției.

I. Moment de organizare

II. Lucru de grup

III. Discutarea rezultatelor, instalarea prezentării

IV. Reflecţie

V. Tema pentru acasă

În timpul orelor

Buna baieti! Așezați-vă. Astăzi vom lucra în grupuri.

Sarcini pentru grupuri:

I. Natura fizică a sarcinilor din metale.

II. Experiența lui K. Rikke.

III. Experiența lui Stuart, Tolman. Experiența lui Mandelstam, Papaleksi.

IV. Teoria Drudei.

V. Volt-amper caracteristic metalelor. Legea lui Ohm.

VI. Dependența rezistenței conductoarelor de temperatură.

VII. Supraconductivitate.

1. Conductivitatea electrică este capacitatea substanțelor de a conduce un curent electric sub influența unui câmp electric extern.

În funcție de natura fizică a sarcinilor - purtători de curent electric, conductivitatea electrică este împărțită în:

a) electronic

B) ionic

B) mixt.

2. Pentru fiecare substanță în condiții date, este caracteristică o anumită dependență a puterii curentului de diferența de potențial.

În funcție de rezistivitatea unei substanțe, se obișnuiește să o împarți în:

A) conductoare (pag< 10 -2 Ом*м)

B) dielectrici (p\u003e 10 -8 Ohm * m)

C) semiconductori (10 -2 Ohm * m> p> 10 -8 Ohm * m)

Cu toate acestea, o astfel de diviziune este condiționată, deoarece sub influența unui număr de factori (încălzire, iradiere, impurități), rezistivitatea substanțelor și caracteristicile lor volt-amper se schimbă și uneori foarte semnificativ.

3. Purtătorii de sarcini libere în metale sunt electronii. Dovedit prin experimente clasice K. Rikke (1901) - fizician german; L.I. Mandelstam și N. D. Papaleksi (1913) - compatrioții noștri; T. Stewart și R. Tolman (1916) - fizicieni americani.

Experiența lui K. Rikke

Rikke a pliat trei cilindri preponderati (doi de cupru si unul de aluminiu) cu capete lustruite astfel incat cel de aluminiu sa fie intre cei de cupru. Apoi cilindrii au fost conectați la un circuit de curent continuu: un curent mare a trecut prin ei în timpul anului. În acest timp, prin cilindrii electrici a trecut o sarcină electrică egală cu aproximativ 3,5 milioane C. Interacțiunea secundară a cilindrilor, efectuată cu până la 0,03 mg, a arătat că masa cilindrilor nu s-a modificat în urma experimentului. La examinarea capetelor de contact la microscop, s-a constatat că există doar urme minore de penetrare a metalelor, care nu depășesc rezultatele difuziei obișnuite a atomilor în solide. Rezultatele experimentului au indicat că ionii nu participă la transferul de sarcină în metale.

L.I. Mandelstam

N. . Papalexie

Experiența lui L. I. Mandelstam și N. D. Papaleksi

Oamenii de știință ruși LI Mandelstam (1879-1949; fondatorul școlii de radiofizicienți) și ND Papaleksi (1880-1947; cel mai mare fizician sovietic, academician, președinte al Consiliului științific al Uniunii pentru radiofizică și inginerie radio de la Academia de Științe ale URSS) în 1913 a oferit originalului o experiență. Au luat o bobină de sârmă și au început să o răsucească în direcții diferite.

Relaxați-vă, de exemplu, în sensul acelor de ceasornic, apoi opriți-vă brusc și - înapoi.

Ei au raționat cam așa: dacă electronii au într-adevăr masă, atunci când bobina se oprește brusc, electronii ar trebui să continue să se miște prin inerție pentru un timp. Mișcarea electronilor printr-un fir este un curent electric. Așa cum era planificat, așa s-a întâmplat. Am conectat un telefon la capetele firului și am auzit un sunet. Odată ce se aude un sunet în telefon, curentul trece prin el.

T. Stewart

Experiența lui T. Stewart și R. Tolman

Să luăm o bobină care se poate roti în jurul axei sale. Capetele bobinei sunt conectate la galvanometru prin intermediul unor contacte culisante. Dacă bobina, care se află în rotație rapidă, este frânată brusc, atunci electronii liberi din fir vor continua să se miște prin inerție, drept urmare galvanometrul trebuie să înregistreze un impuls de curent.

Teoria Drudei

Electronii dintr-un metal sunt considerați ca un gaz de electroni, căruia i se poate aplica teoria cinetică a gazelor. Se crede că electronii, la fel ca atomii de gaz din teoria cinetică, sunt sfere solide identice care se mișcă în linii drepte până când se ciocnesc între ele. Se presupune că durata unei coliziuni individuale este neglijabilă și că între molecule nu acționează alte forțe, cu excepția celor care apar în momentul ciocnirii. Deoarece un electron este o particulă încărcată negativ, pentru a îndeplini condiția de neutralitate electrică într-un solid, trebuie să existe și particule de alt fel - încărcate pozitiv. Drude a sugerat că sarcina pozitivă compensatoare aparține unor particule (ioni) mult mai grele, pe care le considera imobile. La vremea lui Drude, nu era clar de ce există electroni liberi și ioni încărcați pozitiv în metal și care sunt acești ioni. Doar teoria cuantică a solidelor ar putea da răspunsuri la aceste întrebări. Pentru multe substanțe, totuși, se poate presupune pur și simplu că gazul de electroni este format din electroni de valență externi legați slab de nucleu, care sunt „eliberați” în metal și sunt capabili să se miște liber prin metal, în timp ce nucleele atomice cu electroni din interior. învelișurile (nucleele atomice) rămân neschimbate.și joacă rolul de ioni pozitivi fixați ai teoriei Drude.

Curentul electric în metale

Toate metalele sunt conductoare de curent electric și constau dintr-o rețea cristalină spațială, ale cărei noduri coincid cu centrele ionilor pozitivi, iar electronii liberi se mișcă aleatoriu în jurul ionilor.

Fundamentele teoriei electronice a conductivității metalelor.

Un metal poate fi descris prin următorul model: rețeaua cristalină a ionilor este scufundată într-un gaz ideal de electroni format din electroni liberi. În majoritatea metalelor, fiecare atom este ionizat, astfel încât concentrația de electroni liberi este aproximativ egală cu concentrația de atomi 10 23 - 10 29 m -3 și aproape nu depinde de temperatură.
Electronii liberi din metale sunt în mișcare haotică continuă.
Un curent electric într-un metal se formează numai datorită mișcării ordonate a electronilor liberi.
Ciocnind cu ionii care vibrează la nodurile rețelei cristaline, electronii le dau energie în exces. Acesta este motivul pentru care conductorii se încălzesc atunci când curge curent.

Curentul electric în metale.

Supraconductivitate

Fenomenul de reducere a rezistivității la zero la o altă temperatură decât zero absolut se numește supraconductivitate. Materialele care prezintă capacitatea de a trece la anumite temperaturi, altele decât zero absolut, într-o stare supraconductivă, se numesc supraconductori.

Trecerea curentului într-un supraconductor are loc fără pierderi de energie, prin urmare, odată excitat într-un inel supraconductor, un curent electric poate exista la nesfârșit fără schimbare.

Materialele supraconductoare sunt deja folosite în electromagneți. Cercetările sunt în desfășurare pentru a crea linii electrice supraconductoare.

Aplicarea fenomenului de supraconductivitate in practica larga poate deveni o realitate in urmatorii ani datorita descoperirii in 1986 a supraconductivitatii ceramicii - compusi ai lantanului, bariului, cuprului si oxigenului. Supraconductivitatea unor astfel de ceramice este menținută până la temperaturi de aproximativ 100 K.

Bravo baieti! Au făcut o treabă excelentă. S-a dovedit buna prezentare. Mulțumesc pentru lecție!

Literatură.

Gorbushin Sh.A. Note de referință pentru studiul fizicii pentru cursul gimnaziului. - Izhevsk „Udmurtia”, 1992.
Lanina I.Ya. Formarea intereselor cognitive ale elevilor la lecțiile de fizică: O carte pentru profesori. – M.: Iluminismul, 1985.
Lecție de fizică în școala modernă. Căutare creativă pentru profesori: O carte pentru profesori / Comp. E.M. Braverman / Editat de V.G. Razumovsky.- M.: Iluminismul, 1993
Digelev F.M. Din istoria fizicii și viața creatorilor ei: O carte pentru studenți. - M .: Educație, 1986.
Kartsev V.L. Aventurile marilor ecuații.- ediția a III-a - M .: Knowledge, 1986. (Viața ideilor minunate).

Descrierea prezentării pe diapozitive individuale:

1 tobogan