Меню

Электрическим током в металлах называется упорядоченное движение ионов

§ 34. Электрический ток в металлах

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).

Кристаллическая решётка металла

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

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 ток в металлах

Электрический ток в металлах

Электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s = 8000 км), приходит туда примерно через 0,03 с.

Читайте также:  Задача смешанное соединение резисторов постоянного тока

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.

Источник

Задания 32.1 – 32.5 — Ханнанова, 8 класс.

32.1. Вставьте в текст пропущенные слова.
Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. В металлических проводах электрический ток представляет собой направленное перемещение свободных электронов. В жидких проводниках ток возникает благодаря упорядоченному движению положительных и отрицательных ионов.

32.2. На рисунке изображена ванночка, в которую налита вода и добавлена поваренная соль NaCl. Молекулы соли в воде находятся в виде ионов Na+ и Cl- . Рядом с ванночкой помещены две пластины, заряженные положительно и отрицательно.

Задания 32.1 – 32.5

а) Стрелками покажите на рисунке направление движения ионов растворенной соли под действием электрического поля, созданного заряженными пластинами.
б) Закончите фразу.
Если рядом с раствором соли поместить заряженные пластины, то в растворе появляется электрический ток, потому что
положительные и отрицательные ионы соли будут стремиться к разным пластинам.

32.3. Для каждого источника тока подберите из второго столбца соответствующий вид энергии, превращающийся в электрическую энергию этого источника в процессе его работы.

Задания 32.1 – 32.5

32.4. Заполните пропуски в тексте, используя слова: кремний, фотоэлемент, гальванометр, электроны, ток, световое излучение.

Задания 32.1 – 32.5

На рисунке показано устройство, иллюстрирующее принцип действия фотоэлемента. Световое излучение лампы падает на поверхность пластины, изготовленной из кремния. Благодаря энергии излучения происходит потеря электронов с поверхности пластины, и гальванометр фиксирует возникновение электрического тока в цепи. В данном процессе причиной возникновения электрического тока в цепи является световое излучение, а следствием возникновения тока является отклонение стрелки гальванометра.

32.5. Заполните пропуски в тексте, используя слова: спаяны, электрический, нагревание, разные стрелка.

Задания 32.1 – 32.5

На рисунке показан процесс возникновения электрического тока в проволоках благодаря тому, что эти проволоки, изготовленные из разных материалов, были спаяны, а место спая нагрето. В этом процессе причиной возникновения тока является нагревание места спая, а следствием – отклонение стрелки гальванометра.

Источник

1. Электрическим
током в металлах называется…

А) упорядоченное движение ионов

Б) направленное движение ионов и электронов

В) направленное (упорядоченное) движение электронов

Г) беспорядочное движение частиц вещества

2. Какое из действий тока
наблюдается всегда, какой бы проводник ни был?

А) тепловое
Б) химическое В)
магнитное

3. Какая
величина равна отношению работы электрического поля при перемещении единичного
положительного заряда к этому заряду?

А) сила
тока
Б) напряжение В)
сопротивление Г) работа
тока

Читайте также:  Зарядное устройство для автомобильного аккумулятора со стабилизацией тока схема

4. Электрическое
сопротивление измеряется в…

А)
Амперах
Б)
Вольтах
В) Джоулях Г)
Омах

5.
Сила тока в проводнике…

А) прямо пропорциональна напряжению на концах проводника и его сопротивлению

Б) обратно пропорциональна напряжению на концах проводника и его сопротивлению

В) прямо пропорциональна напряжению на концах проводника и обратно
пропорциональна его сопротивлению

Г) прямо пропорциональна сопротивлению проводника и обратно пропорциональна
напряжению

6. Вольтметр
применяют для измерения в цепи …

А)
напряжения
Б) силы
тока
В) напряжения и силы тока

Г) работы
тока Д)
электрического заряда

А) 86
В
Б) 860
В В)
8600
В
Г) 0,00086

8. Найдите
верную формулу:

А) I = U * R
Б) R = I * U
В) U = I * R
Г) U = I / R

9. При
увеличении поперечного сечения проводника его электрическое сопротивление…

А)
уменьшится
Б)
увеличится
В) не изменится

10. Напряжение в электрической цепи 24 В. Найдите силу тока,
если сопротивление цепи 12 Ом

А) 0,5
А Б) 2
А
В) 5 А
Г) 288 А

11. Найдите верное соотношение:

А) 1 В = 1 А * 1
Ом
Б) 1 Кл = 1 А * 1 с

В) 1 Ом = 1 А * 1
В
Г) 1 Кл = 1 А / 1 с

12. Чему равно сопротивление железного проводника
длиной 100 м и сечением 1 мм2? Удельное электрическое сопротивление
железа 0,1 Ом мм2/м

А) 1 Ом Б) 10
Ом
В) 100
Ом
Г) 1000 Ом

13. Укажите верную формулу:

А) l = R * ρ / S
Б) l = R * S /
ρ
В) l = ρ * S / R Г) l = ρ / (R * S)

Источник



Электрический ток в металлах

Свободные электроны в металлах

Вещества, относящиеся к металлам, могут находиться как в твердом, так и в жидком состоянии (ртуть, галлий, цезий и др.). При этом все они являются проводниками электрического тока. Твердые вещества имеют структуру жесткой кристаллической решетки, в узлах которых “сидят” положительно заряженные ионы, совершающие небольшие колебания относительно точки равновесия. В объеме кристалла всегда присутствует большое количество свободных электронов, которые вырвались с орбит атомов в результате механических соударений или воздействия излучений.

Механизм электрического тока в металлах

Рис. 1. Механизм электрического тока в металлах.

Это электронное “облако” движется беспорядочно, хаотично до тех пор, пока к металлу не будет приложено электрическое поле. Электрическое поле E, созданное внешним источником (батареей, аккумулятором), действует на заряд q с силой F:

Под действием этой силы электроны приобретают ускорение в одном направлении и, таким образом, появляется электрический ток в цепи.

Многочисленные наблюдения показали, что при прохождении электрического тока масса проводников и их химический состав не изменяются. Отсюда следует вывод, что ионы металлов, которые составляют основную массу вещества, не принимают участия в переносе электрического заряда.

Опыт Мандельштама и Папалекси

Электронную природу тока в металле первыми экспериментально доказали российские физики Мандельштам и Папалекси в 1913 г. Для того, чтобы выяснить, какие частицы создают электрический ток в металлах, они — без подключения внешнего источника — регистрировали ток в катушке из металлического провода, которую сначала сильно раскручивали вокруг собственной оси, а затем резко останавливали. Поскольку у электрона есть масса, то он должен подчиняться закону инерции. Поэтому в момент остановки атомы решетки останутся на месте, а свободные электроны по инерции, какое-то время, продолжат движение в прежнем направлении. То есть в цепи должен появиться электрический ток. Эксперименты подтвердил это предположение — после остановки катушки исследователи регистрировали бросок тока в цепи.

Читайте также:  Блуждающие токи в проводке дома

Опыт Мандельштама и Папалекси

Рис. 2. Опыт Мандельштама и Папалекси.

Этот эксперимент в 1916 г. повторили американцы Стюарт и Толмен. Им удалось повысить точность измерений и получить отношение заряда электрона eэ к значению массы электрона mэ:

Этот фундаментальный результат совпал с полученными данными из других экспериментов, поставленных на основе измерения других параметров. Впервые эту величину в 1897 г. измерил англичанин Джозеф Томсон по отклонению пучка электронов в зависимости от напряженности электрического поля.

Скорость распространения электрического тока

Скорость распространения электрического поля в металле близка к скорости света в вакууме, которая равна 300000 км/с. Но это не значит, что электроны внутри вещества двигаются с такой же скоростью. Для проводника с площадью поперечного сечения S = 1 мм 2 при силе тока I = 1 A скорость упорядоченного движения электронов равна v = 6*10 -5 м/с. То есть за одну секунду электроны в проводнике за счет упорядоченного движения проходят всего 0,06 мм.

Такие малые значения скоростей движения электронов в проводниках не приводят к запаздыванию включения электрических ламп, включения бытовых приборов и т.д., так как при подаче напряжения вдоль проводов со скоростью света распространяется электрическое поле. Эта скорость настолько велика, что позволяет приводить в движение свободные электроны практически мгновенно во всех проводниках электрической цепи.

Применение свойств электрического тока в металлах

Физические свойства электрического тока используются в различных областях жизнедеятельности:

  • Способность электрического тока нагревать проводники используется для изготовления нагревательных бытовых и промышленных приборов;
  • Вокруг провода с электрическим током возникает магнитное поле, что позволило создать электродвигатели, без которых сегодня невозможно обойтись;
  • Передача электроэнергии на различные расстояния осуществляется по проводам линий электропередачи (ЛЭП), по которым течет электрический ток.

Применение электрического тока

Рис. 3. Применение электрического тока.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что электрический ток в металлах создается упорядоченным движением свободных электронов. Экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создают электроны, впервые получили российские физики Мандельштам и Папалекси. Физические свойства электрического тока в металлах позволили создать большое количество бытовых и промышленных устройств.

Источник