Электрическая проводимость металлов

Слайд 1. Электрическая проводимость металлов

Физика 10 класс: Природа тока и электронная модель вещества

Слайд 2. Что такое проводимость?

Электрическая проводимость — это способность вещества пропускать электрический ток под действием электрического поля. Она напрямую зависит от наличия свободных носителей заряда: электронов, ионов или дырок. В металлах носителями являются свободные электроны, которые образуют так называемый «электронный газ».

Слайд 3. Классификация материалов

Вещества с огромным количеством свободных зарядов (металлы, растворы электролитов).

Практически не имеют свободных зарядов, ток через них не идет (стекло, резина, сухой воздух).

Занимают промежуточное положение, проводимость сильно зависит от внешних условий (кремний, германий).

Слайд 4. Доказательства электронной природы

Опыт Карла Рикке (1901): ток шел через цилиндры металлов год, но диффузии не произошло.

Опыт Мандельштама и Папалекси: регистрация тока при резкой остановке катушки.

Опыт Толмена и Стюарта (1916): точное измерение удельного заряда носителей.

Результат: носители тока в металлах — электроны с зарядом $e\approx -1.6\cdot 10^{-19}$ Кл.

Слайд 5. Модель кристаллической решетки металла

Слайд 6. Зависимость сопротивления металлов от температуры

При повышении температуры ионы кристаллической решётки металла колеблются интенсивнее, чаще сталкиваясь с дрейфующими электронами. Это создаёт дополнительное препятствие току.

Зависимость выражается формулой: $R=R_0(1+\alpha \Delta t)$, где $\alpha$ — температурный коэффициент сопротивления. Для большинства металлов $\alpha \approx 0,004{\text{ К}}^{-1}$.

Практическое применение:

• Лампа накаливания: при включении сопротивление нити вырастает в 10–15 раз.

• Термометры сопротивления: позволяют точно измерять температуру через изменение проводимости платиновой или медной проволоки.

Вопрос для обсуждения: Как изменится сила тока в цепи, если резко охладить проводник (например, жидким азотом) при неизменном напряжении?

Слайд 7. Удельное сопротивление металлов (при 20°C)

Слайд 8. Скорость тока vs Скорость электронов

Средняя скорость дрейфа электронов в проводнике крайне мала — всего около $0.1$ мм/с. Это медленнее, чем ползет улитка.

Электрическое поле распространяется по цепи со скоростью света $c\approx 300000$ км/с. Именно поэтому свет загорается мгновенно.

Слайд 9. Причины электрического сопротивления

1. Столкновения электронов с ионами кристаллической решетки.

2. Наличие примесей в металле (чужеродные атомы искажают решетку).

3. Дефекты структуры (пустоты, смещения слоев).

4. Тепловые колебания частиц, мешающие упорядоченному движению.

Слайд 10. Практическое применение проводимости

ЛЭП: Алюминий из-за малого веса

Микросхемы: Золото для надежности

Слайд 11. Интересные факты о металлах

При критически низких температурах сопротивление некоторых металлов падает до нуля.

При прохождении тока металл всегда нагревается (закон Джоуля-Ленца).

Сопротивление сплавов (нихром) выше, чем у чистых металлов.

Общая масса провода не меняется при протекании тока.

Слайд 12. Условия возникновения и существования тока

В веществе должны быть частицы, способные перемещаться по всему объему. В металлах это «электронный газ» — свободные электроны, покинувшие свои атомы.

Чтобы хаотическое движение стало упорядоченным (током), нужна внешняя сила. Электрическое поле внутри проводника заставляет заряды двигаться в одном направлении.

Ток течет только в непрерывном контуре. Обязательно наличие источника энергии (ЭДС), который поддерживает разделение зарядов и «проталкивает» их по цепи.

На концах проводника должна поддерживаться разность потенциалов $\Delta \phi$. Это как разность уровней воды: без перепада высот вода в трубе не потечет.

Слайд 13. Вопросы для обсуждения

Почему для домашней проводки используют медь, а не серебро?

Как изменится сопротивление провода, если его сложить вдвое и скрутить?

Что происходит с «электронным газом» при выключении рубильника?

Почему вольфрамовая нить в лампе накаливания светится, а подводящие провода — нет?

Слайд 14. Подведем итоги

Металлы — это проводники первого рода с электронной проводимостью.

Ток обеспечивается движением «электронного газа» в поле ионов.

Сопротивление металлов обусловлено столкновениями электронов с решеткой.

При нагревании металлического проводника его сопротивление линейно растет.

Слайд 15. Изучайте физику — это основа технологий!