Тема:Електричний струм у різних середовищах (металах, рідинах, газах) та його використання.

Фізика - одна з найпрекрасніших наук.

Вона показує нам, який великий і водночас

близький до людини світ, в якому ми живемо.

Фізика дає змогу людині відчути свою велич,

надзвичайну силу свого розуму, робить її

наймогутнішою істотою у світі.

Мета: Пригадати та розширити знання про електричний струм у різних середовищах. Продемонструвати досліди:струм у розчинах електорлітів, не самостійний розряд у повітрі.

Розвивати фізичну компетентність учнів, обізнаність.

Виховувати культуру наукового мислення та мовлення.

Прилади та матеріали для роботи з учнями: джерело живлення, амперметр, реостат, електролітична ванна, мідні електроди, спиртівка (свічка), ніхромовий провідник, гальванометр, дві металеві пластини, з’єднувальні провідники, флеш-анімація.

План

1.     Актуалізація опорних знань.

2.     Вивчення нового матеріалу.

3.     Тестові завдання та закріплення вивченого матеріалу

4.     Домашнє завдання.

Хід уроку

1. Актуалізація опорних знань.

1) що таке електричний струм?

2) умови виникнення струму?

3)як поділяються речовини за провідністю?

4) які агрегатні стани речовини вам відомо?

5)як відрізняються провідники електрики і діелектрики?

2.Вивчення нового матеріалу.

Поставимо перед собою завдання довідатися, які частинки (заряди) є носіями електричного струму в:

- металах;

- рідинах;

- газах.

1. Електричний струм у металах

Електронна теорія так пояснює відмінності у властивостях провідників і діелектриків: в одних тілах є вільні носії зарядів, які можуть переміщатися в різних напрямках, а в інших тілах носії електричних зарядів зв’язані й можуть лише трохи зміщуватися в ту або іншу сторону.

Природа носіїв зарядів у металах доведена класичними дослідами Рікке, Мандельштама–Папалекси й Толмена–Стюарта.

Мандельштам Леонід Ісаакович (1879–1944) Радянський фізик; один ззасновників школи радянських радіофізиків ,академік АН СССР (1929); член-кореспондент (1928).

Папалексі Микола Дмитрович (1880–1947) Видатний фізик, академік АН СССР (1939); член-кореспондент (1931), один з організаторів  Одеського політехнічного інституту.

Стюарт (Stuart) Бальфур (1.XI 1828–19.XII 1887) Шотландський фізик, член Лондонської  наукової королівської общини (1862).

Ричард Толмен (Richard C. Tolman) (1881–1948) Американський фізик, основоположник релятивістської термодинаміки 

Ці вчені поставили експерименти, які є найбільш переконливим  доказом  електронної природи струму в металах. Це були досліди  з інерцією електронів. Ідея таких дослідів  та перші якісні результати були отримані в 1913 році 

Дослід Толмена-Стюарта (відео).

Ідея досліду: якщо розігнати металевий провідник, а потім різко його зупинити, то вільні заряди, рухаючись по інерції, створять на короткий час струм в цьому провіднику.  

Схема досліду: Котушка з великою  кількістю витків тонкого дроту  приводилась в швидке обертання навколо своєї осі. Кінці котушки, з допомогою гнучких проводів були приєднані  до чуттєвого гальванометра Г. Розкручена котушка різко гальмувалась і в колі виникав короткочасний струм, зумовлений інерцією носіїв заряду. Повний заряд, що протікав по колу вимірювався за відхиленням стрілки гальванометра. 

Результати досліду: Напрям струму говорить про те, що він створюється рухом негативно заряджених частин.  Заряд, що переноситься,  пропорційний відношенню заряду частинок, які створюють струм, до їх маси.  Тому, вимірюючи заряд, який проходить через гальванометр за час існування струму в ланцюзі,  вдалося визначити це відношення. Воно виявилося рівним 1,8.10¹¹ Кл/кг.  Ця величина співпадає з відношенням заряду електрона до його маси (питомий заряд електрона), що вже було доведено раніше.

Висновок: носіями струму в металевих провідниках є вільні електрони.

З дослідів легко встановити, що опір металів залежить від температури. Якщо за температури 0 °С, опір провідника дорівнює R₀ , а за температури T він дорівнює R, то відносна зміна опору, як показує дослід, прямо пропорційна зміні температури. Під час нагрівання провідника його геометричні розміри змінюються незначною мірою. Опір провідника змінюється в основному за рахунок зміни його питомого опору:

Дослід, що демонструє залежність опору провідника від температури.

2.Електричний струм в електролітах.

Як відомо, провідниками електричного струму можуть бути не тільки тверді тіла, але й рідини. Досліди показують, що електроліти (розчини солей, кислот і лугів у воді) є гарними провідниками електричного струму.

Дослід на проходження електричного струму в рідинах

Процес розпаду молекул розчиненої речовини на іони під дією розчинника називається електролітичною дисоціацією. Молекули речовин-розчинників складаються із взаємозалежних іонів протилежного знака (наприклад Na⁺ Cl^- , H⁺ Cl^- , K⁺ Cl^- , Cu⁺⁺ SO₄^- , ). Сили притягання між цими іонами забезпечують цілісність таких молекул. Іони в електролітах рухаються хаотично, поки в рідину не опускаються електроди. Тоді на хаотичний рух іонів накладається їхній упорядкований рух до відповідних електродів і в рідині виникає електричний струм. За іонної провідності проходження струму пов’язане з переносом речовини. На електродах відбувається виділення речовин, що входять до складу електролітів.

Процес виділення речовини на електродах під час проходження електричного струму через електроліт називають електролізом. На аноді негативно заряджені іони віддають свої зайві електрони (у хімії цей процес називається окисною реакцією), а на катоді позитивні іони одержують відсутні електрони (відновна реакція). Кожний іон, що у процесі електролізу нейтралізується на електроді й виділяється на ньому у вигляді нейтрального атома, має певну масу. Але разом з тим він переносить через електроліт певний заряд. Тому й маса речовини, що виділилася, і кількість електрики, що пройшла, пропорційні числу іонів, які підходять до цього електрода.

Кількісно закон електролізу був установлений на досліді Майклом Фарадеєм у першій половині XIX сторіччя. Фарадей установив, що маса речовини m, , яка виділилася на електроді, пропорційна заряду q, який пройшов через електроліт:m= kq.  Оскільки q = It, де I — сила струму, t — час проходження струму, то m= kIt. Сталу k називають електрохімічним еквівалентом речовини. Зміст цього коефіцієнта можна з’ясувати з виразу: Електрохімічний еквівалент чисельно дорівнює масі речовини в кілограмах, яка виділяється під час проходження 1 Кл електрики.

Постає питання: від яких же властивостей речовини залежить значення електрохімічного еквівалента?

Відповідь на це питання дає встановлений дослідним шляхом другий закон Фарадея:

Електрохімічні еквіваленти різних речовин прямо пропорційні їх молярній масі та обернено пропорційні їх валентності.

Другий закон Фарадея можна записати у вигляді формули

де k - електрохімічний еквівалент, M - молярна маса речовини, що виділяється на електроді, п - валентність речовини.

Технічне застосування електролізу.

Гальванотехніка:а) гальваностегія — покриття деталей тонким шаром металу (золочення, нікелювання, хромування й т. ін.);

б) гальванопластика — відкладення товстого шару металу, який відшаровують і використовують самостійно (одержання матриць для друкованих пластинок, барельєф і т. ін.).

Електрометалургія — виділення чистих металів із природних сумішей (міді з мідного колчедану, алюмінію з розплавленого бокситу).

Очищення металевих деталей (деталь є анодом).

3. Електричний струм у газах

Гази, на відміну від металів і електролітів, складаються з електрично нейтральних атомів і молекул і за нормальних умов не містять вільних носіїв струму (електронів і іонів). Гази за нормальних умов є діелектриками. Однак за деяких умов можна помітно підвищити електропровідність газу. Досить, наприклад, подіяти полум’ям сірника на повітря біля зарядженого електроскопа, як він відразу ж розряджається. Із цього досліду роблять висновок, що під дією полум’я повітря втрачає свої ізоляційні властивості, тобто в ньому з’являються вільні заряди. Повітря, як і інші гази, можна зробити електропровідним і через вплив на нього ультрафіолетового, рентгенівського й радіоактивного випромінювань. Для відриву електрона від атома необхідна певна енергія, яку називають енергією іонізації.

Дослід на вивчення провідності газів.

Іонізація газів — відрив від їхніх атомів або молекул електронів. Протилежним процесу іонізації газів є процес рекомбінації — возз’єднання протилежно заряджених частинок у нейтральні молекули. Іонізатор щомиті створює в просторі між електродами деяке число іонів і електронів. Стільки ж іонів і електронів, з’єднуючись між собою, утворюють нейтральні атоми. Така динамічна рівновага існує доти, поки між електродами немає електричного поля. Щойно між електродами буде створене поле, відразу ж на частинки, що несуть заряди різного знака, почнуть діяти сили, спрямовані в протилежні сторони. Тому, крім безладного руху, заряджені частинки будуть переміщатися в напрямку дії на них електричного поля. Це напрямлений рух частинок під дією електричного поля і являє собою струм у газі.

Процес протікання електричного струму через газ називають газовим розрядом. Існує два види газового розряду — несамостійний і самостійний. Якщо електропровідність газу виникає під дією іонізаторів, а з видаленням останнього зникає, то маємо несамостійний розряд.

Газовий розряд, який можна спостерігати тільки за наявності зовнішнього іонізатора, називають несамостійним газовим розрядом. За певних умов струм у газах може проходити й без зовнішнього іонізатора.

Газовий розряд, що триває після того, як припиниться дія зовнішнього іонізатора, називається самостійним газовим розрядом. Залежно від тиску газу, конфігурації електродів і параметрів зовнішнього кола існує чотири типи самостійних розрядів: тліючий, іскровий, коронний і дуговий.

Електричний розряд, що відбувається за низького тиску (частинки міліметра ртутного стовпа, тобто в тисячі разів менше від атмосферного тиску), називають тліючим розрядом. Тліючий заряд використовують у люмінесцентних лампах і газонаповнених рекламних трубках.

Іскровий розряд виникає в газі зазвичай за тисках порядку атмосферного. Він характеризується переривчастою формою. За зовнішнім виглядом іскровий розряд являє собою пучок яскравих зиґзаґоподібних тонких розгалужуваних смуг, які миттєво пронизують розрядний проміжок, швидко згасають і постійно змінюють одна одну. Ці смужки називають іскровими каналами. За природних умов іскровий розряд спостерігається у вигляді блискавки. Іскровий розряд у незначних масштабах виникає, наприклад, у звичайних вимикачах, коли ми вимикаємо світло. На застосуванні іскрового розряду засновані методи електроіскрової обробки металів. Потужні, сильнострумові розряди у водні Були першими кроками на шляху до керованого термоядерного синтезу.

Коронний розряд виникає в сильному неоднорідному електричному полі за порівняно високих тисків газу (подібно до атмосферного). Таке поле можна одержати між двома електродами, поверхня одного з яких має велику кривину (тонкий дротик, вістря). Саме така ситуація виникає перед грозою або під час грози. Але в міру видалення від вістря поле швидко зменшується, тому вдалині від вістря електронна лавина не виникає. Коронний розряд застосовують в електрофільтрах для очищення повітря. Іони, зіштовхуючись із часточками диму, заряджають їх, після чого заряджені частинки притягуються до електродів і осідають на них. Якщо після одержання іскрового розряду від потужного джерела поступово зменшувати відстань між електродами, то розряд з переривчастого стає безперервним, виникає нова форма газового розряду, яка називається дуговим розрядом. Температура за дугового розряду досягає 6000 °C (така температура на поверхні Сонця). Дуговий розряд використовують для електрозварювання металів. Значний внесок у розробку методів електрозварювання внесли українські вчені під керівництвом академіка А. Є. Патона — організатора й першого директора Інституту електрозварювання в Києві. Дуговий розряд також використовують у прожекторах, проекційних апаратах і в маяках. У металургії широко застосовують дугові електропечі, джерелом теплоти в яких є дуговий розряд. У таких печах виплавляють сталь, чавун, бронзу й інші метали.

3. Тестові завдання

І варіант

1) Амперметр в коло підключають:

а) послідовно; б) паралельно.

2) Напруга 12 кВ в основних одиницях дорівнює:

а) 120В; б) 1200В; в)12000В; г) 0,12В.

3) Опір на ділянці кола з послідовним з’єднанням визначається:

а) R=ρl/S             б)R =R₁+R₂;                  в)R=R₁ R₂/(R₁+R).

4) Потужність електричного струму вимірюється:

а) Дж; б) Кл; в) Вт; г) В.

5) Роботу електричного струму можна визначити за формулою:

а) U=IR;     б)P=UI;      в)A=UIt;     г)I=U/R.

6) Якими носіями електричних зарядів створюється струм в металах?

а) негативними іонами; б) позитивними іонами; в) вільними електронами;

г) позитивними і негативними іонами.

7) Встановити відповідність між формулами і відповідними фізичними величинами:

1.Опір                                         А) m=kq

2.Стала Фарадея                        Б) I=q nυS

3.Маса речовини                        В) F=eNA

4.Сила струму                            Г) R=R_o(1+αΔT)

                                                    Д) K=M/Fn

ІІ варіант

1) Вольтметр в коло підключають:

а) послідовно; б) паралельно.

2)Напруга 12 мВ в основних одиницях дорівнює:

а)120В; б) 1200 В; в) 12000В; г)0,012 В.

3) Опір ділянки з паралельним з’єднанням визначається:

а) R=ρl/S             б)R =R₁+R₂;                  в)R=R₁ R₂/(R₁+R).

4) Робота електричного струму вимірюється у:

а) Дж; б) Кл; в) Вт; г) В.

5) Потужність електричного струму можна визначити за формулою:

а) U=IR;     б)P=UI;      в)A=UIt;     г)I=U/R.

6.Якими носіями електричних зарядів створюється струм в електролітах:

а) негативними іонами; б) позитивними іонами; в) вільними електронами;

г) позитивними і негативними іонами.

7.Встановити відповідність між формулами і відповідними фізичними величинами:

1.Сила струму                           А) m=kq

2.Опір                                         Б) I=q nυS

3.Маса речовини                        В) F=eN_А

4.Стала Фарад                             Г) R=R_o(1+αΔT)

                                                   Д) K=M/Fn

Рефлексія:

-         Що вам найбільше запам’яталося;

-         Що є для вас незрозуміле.

4. Д/з §13,14,15. Вивчити.