Вложение | Размер |
---|---|
![]() | 661.84 КБ |
Городская научно-практическая конференция «Мир науки»
Секция математика и физика
Движение свободных электронов в металле. Демонстрация прибора, изготовленного для кабинета физики.
Автор: Смирнов Андрей Олегович
Класс 8б МОУ «СОШ» №7
Научный руководитель: Кованская Марина Геннадьевна
Учитель физики 1 категории МОУ «СОШ» №7
Вологда
2017
Оглавление
Введение…………………………………………………………………………3
Глава I.
1.1 Понятие электрического тока ……………………………………..4
1.2 Особенности протекания электрического тока в металлах………5
Глава II.
2.1 Построение электрической схемы для изготовления прибора……7
2.3 Законы физики, которые можно продемонстрировать с помощью моего прибора …………………………………………………………………8
Заключение………………………………………………………………………..9
Список используемой литературы……………………………………………..10
Приложения……………………………………………………………………...11
Введение
Для того, чтобы поставить необходимый опыт, нужно иметь приборы и измерительные инструменты. И не думайте, что все приборы делаются на заводах. Во многих случаях исследовательские установки сооружаются самими исследователями. При этом считается, что талантливее тот исследователь, который может поставить опыт и получить хорошие результаты не только на сложных, а и на более простых приборах.
Цель проектной работы:
Спроектировать и изготовить конструкцию; применить знания и навыки, полученные на уроках физики и дать возможность реализации своих творческих идей при изготовлении прибора для демонстрации движения свободных электронов в проводнике.
Задачи:
- Разработать конструкцию прибора для демонстрации движения свободных электронов в проводнике, отсутствующий в лаборатории.
- систематизировать и обогатить знания по теме «Законы постоянного тока»
- сформировать исследовательские умения
- сделать выводы по результатам работы прибора
- представить результаты проектной работы
Актуальность работы состоит в том, что при отсутствии данного прибора в физической лаборатории, изготовленная мной конструкция сможет заменить недостающую установку при демонстрации и объяснении темы «Электрический ток в металлах»
Глава I.
Электрический ток — направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля.
Такими частицами могут являться: в проводниках – электроны, в электролитах – ионы (катионы и анионы), в полупроводниках – электроны и, так называемые, "дырки" ("электронно-дырочная проводимость").
Также существует "ток смещения", протекание которого обусловлено процессом заряда емкости, т.е. изменением разности потенциалов между обкладками. Между обкладками никакого движения частиц не происходит, но ток через конденсатор протекает.
В теории электрических цепей за ток принято считать направленное движение носителей заряда в проводящей среде под действием электрического поля.
Током проводимости (просто током) в теории электрических цепей называют количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника. Это выражение справедливо для цепей постоянного тока. Для цепей переменного тока применяют так называемое мгновенное значение тока, равное скорости изменения заряда во времени.
Электрический ток возникает тогда, когда на участке электрической цепи появляется электрическое поле, или разность потенциалов между двумя точками проводника. Разность потенциалов между двумя точками электрической цепи называют напряжением или падением напряжения на этом участке цепи.
1.2 Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля. Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов (опыт Толмена и Стьюарта).
Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основе гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории. Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ.
Откуда берутся свободные электроны?
Дело в том, что в атомах не все электроны одинаково прочно удерживаются ядром. В электронных оболочках атомов металлов всегда есть один, два или три электрона, очень слабо связанных с ядром. Поэтому, например, при растворении различных солей входящие в их состав атомы металлов легко отдают эти электроны другим атомам, а сами превращаются в положительные ионы. Отрыв электронов от атомов происходит и в куске любого металла, но все электроны, утерявшие связь с атомами, остаются в самом металле между образовавшимися ионами.
Число свободных электронов в металле огромно. Их примерно столько же, сколько атомов. Тем не менее весь кусок металла остаётся, конечно, незаряженным, так как положительный заряд всех ионов в точности равен отрицательному заряду всех электронов.
Таким образом, строение металла мы может себе представить в таком виде. Атомы металла, потерявшие по 1—2 электрона, стали ионами. Они сравнительно прочно сидят на своих местах и образуют, можно сказать, жёсткий «скелет» куска металла. Между ионами быстро движутся по всем направлениям электроны. Некоторые из электронов при движении тормозятся, другие ускоряются, так что среди них всегда есть и быстрые и медленные
При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток. Величина дрейфовой скорости электронов лежит в пределах 0,6 – 6 мм/c. Таким образом, средняя скорость упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше средней скорости их теплового движения. Малая скорость дрейфа не противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического поля со скоростью c = 3·108 м/с. Через время вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля и в ней начинается упорядоченное движение электронов.
Направление электрического тока (приложение 1) условно принято от положительного полюса к отрицательному.
За направление электрического тока следовало бы считать направление движения свободных электронов по металлическому проводнику, однако за направление электрического тока условно принято считать направление движения положительных зарядов в проводнике. Эта условность сложилась исторически к в настоящее время сохранила свою силу в электротехнике
2.1 Построение электрической схемы для изготовления прибора
В журнале «Юный техник» №9 1978 года издания я увидел прибор, который можно изготовить своими руками и решил попробовать.
Для того, чтобы сконструировать электрический прибор, нужно начертить схему цепи и подобрать необходимое оборудование.
Мне понадобились следующие подручные материалы:
Оборудование из кабинета физики:
Дальше начертил схему последовательной электрической цепи (приложение 2), состоящей из электромотора, светодиода, реостата, понижающего трансформатора.
Мотор поместил в коробку от зубного порошка, насадив на его баночку от витаминов с нанесенными черными точками. Черные точки будут демонстрировать упорядоченное движение свободных электронов в проводнике под действием электрического поля, создавая тем самым электрический ток в проводнике.
Сверху на коробку от зубного порошка поместил пластиковый стакан, закрепил его с помощью термоклея .В стакане вырезал окошечко 2*2 см, заклеил его прозрачной пленкой и нанес красные точки, которые в работе прибора представляют собой ионы кристаллической решетки. Они остаются неподвижными, в то время как свободные электроны движутся упорядоченно под действием электрического поля.
2.2 Демонстрация прибора в работе (Приложение 3)
Прибор работает следующим образом. При его включении цилиндр с нанесенными на его внешнюю поверхность электронами начинает вращаться, и они (электроны) двигаются в сторону знака «-« от знака «+», изображенных на стенке банки, мимо неподвижных ядер, имеющихся на экране.
Таким образом, учащиеся наглядно убеждаются, что возникновение электрического тока в проводнике обязано электрическому полю, которое заставляет свободные электроны в металле двигаться упорядоченно.
2.3 Законы физики, которые можно продемонстрировать с помощью моего прибора
Кроме наглядного показа прохождения электронов в проводнике, с помощью прибора можно демонстрировать:
I | 0.07A | 0,1А | 0,15А |
R | 12Ом | 70Ом | 6,2Ом |
Заключение
Для того, чтобы смастерить что - то занятное, не надо идти в магазин, ехать в лес или идти в парк и собирать природный материал. Все необходимое можно найти у себя дома, на даче или в дальнем пыльном закутке гаража. Главное - включить свое воображение и фантазию относительно того, как можно использовать тот или иной прибор или его часть. Ну и, конечно, использовать знания по физике, чтобы суметь соединить этот материал в единое целое. Изготовление своими руками пусть даже несложных моделей очень интересно и полезно не только ученику, но и учителю, который может демонстрировать работу прибора последующему поколению учащихся.
Я сконструировал прибор, демонстрирующий движение свободных электронов в проводнике под действием электрического поля. Особенно меня порадовало то, что мое изобретение успешно прошло технические испытания на уроке физики, когда мы изучали понятие электрического тока и условия его существования.
В ходе своей проектной работы , мною были решены следующие задачи: систематизация знаний по теме «Законы постоянного тока», формирование исследовательских умений (это моя первая проектная работа), сделаны выводы по результатам работы прибора, представил результаты проектной работы публично. Цель работы достигнута через решение данных задач.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ И ИНТЕРНЕТ – РЕСУРСОВ
Приложение №1
Приложение 2
Приложение 3
Павел Петрович Бажов. Хрупкая веточка
Учимся ткать миленький коврик
Прекрасное далёко
Пятёрки
Любили тебя без особых причин...