Электронная проводимость метала.Урок по физике 10 класс

Тема программы: 9. Электрический ток в различных средах – 6 часов.

Тема урока: Электронная проводимость метала.

Содержание: 9.1 Электронная проводимость метала. 9.2 Электропроводность электролитов. Законы электролиза.

Цели урока:  Разъяснить физическую сущность электропроводимости  проводников (электролитов); изучить процессы электролитической диссоциации и электролиза, понятия электролитов; познакомиться с применением электролиза; изучить закон электролиза Фарадея; научить учащихся применять формулу закона электролиза при решении расчетных задач. Научить студентов глубже разбираться в физических явлениях и уметь их объяснять и применять на практике, развивать у них логическое мышление и сообразительность. Воспитывать внимательность, интерес к предмету через информационно-компьютерные технологии, через связь с наукой и техникой.

Задачи урока: Продолжить изучение темы: электрический ток в различных средах. Уметь выделять главное, вести записи и применять полученные знания.

Тип урока: урок изучения нового материала. Лекция.

Форма проведения: фронтальная, коллективная, индивидуальная.

Оборудование: ТСО – компьютер, проектор, экран. Презентация – " Электронная проводимость." ЭУ

Ход урока:

1. Организационный момент.(2 мин.)

Проверка готовности к уроку. Подготовка учащихся к работе на занятии.

2.Анализ лабораторной работы №5

3. Вопросы по домашнему заданию.
1.Что называют электрическим током?

Электрическим током называют упорядоченное, направленное движение заряженных частиц.

2.Условия существования электрического тока?

 Наличие свободных зарядов.

 Наличие электрического поля.

3. От чего зависит электрическое сопротивление проводника?

 От длины проводника.

 От площади поперечного сечения проводника.

 От  рода материала.

4. Прибор для измерения силы тока?

Силу тока измеряют с помощью амперметра, который включают в цепь последовательно с тем  прибором, силу тока в котором нужно измерить.

5. Прибор для измерения напряжения?

напряжение измеряют с помощью вольтметра, который включают в цепь параллельно  тому участку, напряжение на котором нужно измерить.

6. Закон Ома для участка цепи:

 - сила тока I прямо пропорциональна приложенному напряжению U и  обратно пропорциональна сопротивлению  проводника.

4. Объяснение нового материала.
Электропроводность – это свойство тела или вещества проводить ток, а также физическая величина, численно характеризующая эту способность. Электропроводность зависит от количества свободных ионов, содержащихся в проводнике, движение которых является электрическим током. В системе СИ электропроводность обозначается как S и измеряется в сименсах.

В зависимости от величины электропроводности вещества можно условно разделить на три группы:

 проводники, диэлектрики и полупроводники.

 Однако, провести четкие границы между группами невозможно.

Проводники имеют большое количество свободных ионов, а следственно и большую электропроводность. Они делятся на два рода, которые отличаются друг от друга физической природой протекания электрического тока.

К первому роду относятся металлы с электронной проводимостью, то есть прохождение тока по ним обусловлено движением свободных электронов.

 К проводникам второго рода относятся растворы кислот, щелочей и солей, которые называют электролитами. Прохождение тока по электролитам обусловлено движением положительных и отрицательных ионов. Такие проводники имеют ионную проводимость. Электропроводность проводников больше 10⁶(ом·м)^-1 .

На электропроводность вещества или тела влияет температура вещества. Однако, зависимость от температуры различная у разных веществ. У металлов данная зависимость определяется уменьшением времени свободного пробега электронов с ростом температуры. При увеличении температуры происходит возрастание тепловых колебаний кристаллической решетки, на которой рассеиваются электроны и соответственно электропроводность уменьшается. Для полупроводников зависимость иная. При повышении температуры электропроводность увеличивается, так как увеличивается число электронов проводимости и положительных носителей заряда. Диэлектрики также имеют увеличенную электропроводность, но при очень высоком электрическом напряжении. [2]

Электропроводность металлов

Металлы имеют свойство проводить ток. Это обусловлено тем, что электромагнитное поле воздействует на проводниковый металл, в следствие чего электрон ускоряется настолько, что теряет связь с атомом.

Электронная теория проводимости металлов создана П. Друде в 1900 г., которая далее получила развитие в работах Г. Лоренца. С точки зрения данной теории высокая электропроводность металлов обусловлена наличием очень большого числа носителей заряда – электронов проводимости, перемещающихся по всему объему проводника. При своем движении электроны проводимости сталкиваются с ионами кристаллической решетки металла. Следуя из этого средняя длина свободного пробега электронов равна 10­­^-8 см.

Плотность тока, проходящая через проводник будет равна общему заряду всех электронов, проходящих за одну секунду через единицу площади поперечного сечения проводника.

Плотность тока выражается формулой:

где

Q - значение удельной проводимости;

- значение направления плотности тока;

- значение направления напряженности электрического поля.

Электропроводность некоторых металлов представлена в таблице 1.

Таблица 1 – «Электропроводность металлов»

Электропроводимость металлов применяется во всех современных отраслях промышленности, от добычи полезных ископаемых до производства продуктов питания. Любая сфера производства использует электричество вот уже на протяжении ста лет. Благодаря электропроводности металлов мы имеем возможность смотреть телевизор, пользоваться ноутбуком и интернетом, так как данные условия обеспечиваются коммуникационными системами энергоснабжения.

Электропроводность жидкостей

Наблюдения показали, что большое количество жидкостей очень плохо проводят электрический ток. Такими жидкостями являются глицерин, керосин, дистиллированная вода и т.п. Но, например, кислоты, щелочи и водные растворы солей наоборот хорошо проводят ток. Выделение на электродах составных частей жидкости, вызванное прохождением тока, называется электролизом, а проводники, в которых это наблюдается называются электролитами.

Значения электропроводности некоторых жидкостей представлены в таблице 2.

Таблица 2 – «Электропроводность жидкостей»

Электропроводность жидкостей активно применяется в медицине. Основным примером является электрофорез и гальванофорез. При электрофорезе происходит электрокинетическое явление перемещения частиц дисперсной фазы в жидкой или газообразной среде под действием внешнего электрического поля. Гальванофорез – введение ионов веществ (например, лекарств) в электропроводную среду посредством приложения электродвижущей силы (ЭДС). В стоматологии – гальванофорез – специальный метод для долговременной дезинфекции системы корневых каналов зубов.

  Электролиз — процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями.

Электролитический метод используется для получения чистых металлов. Хорошим примером является электролитическое промышленное получение алюминия. Для этого  в качестве электролита используют Al2O3 растворенный в расплавленном криолите (Na3AlF6) при температуре 950 С. Раствор помещают в специальные электролитические ванны, где стенки и дно, выложенные графитом, используются в качестве катода, а погруженные в электролит угольные блоки система анодов. В процессе пропускания тока на катоде выделяется чистый алюминий.

Аналогично (аффинаж) очищают и драгоценные металлы (золото, серебро).

Гальваностегия - этот процесс  покрытие предметов  посредством электролиза слоем того или иного металла.

Изделие, которое хотят покрыть слоем металла, опускают в ванну в качестве катода. В ванне раствор электролита, который содержит нужный металл. Пластина из этого же металла – анод. В процессе пропускания тока

через раствор нужный металл выделяется на  катоде (изделии), а пластинка (анод) постепенно растворяется.

    Гальваностегия используется для защиты  металлических изделий  от коррозии. Гальваностегию активно используют в ювелирном деле, ведь именно с помощью этой технологии наводят позолоту на изделия.

    На схеме раствор AgNO3, катод – изделие, анод – серебренная пластина.

Под действием электролиза серебро оседает на поверхности изделия.

    Гальваностегия (никелирование, хромирование, золочение) применяют с эстетической целью и для защиты от коррозии. С помощью электролиза можно получить точную копию рельефной поверхности.

Также с помощью электролиза можно изготовить рельефные металлические копии изделий (например, монет, медалей). Этот процесс был изобретен русским физиком и электротехником Борисом Семеновичем Якоби в сороковых годах XIX века и  называется гальванопластикой. Для изготовления рельефной копии предмета сначала делают слепок из какого-либо пластичного материала, например из воска. Этот слепок натирают графитом и погружают в электролитическую ванну в качестве катода, где на нём и осаждается слой металла. Это применяется в полиграфии при изготовлении печатных форм.

Если нужно получить точную копию изделия, то сначала надо

из пластичного материала (воска) сделать слепок изделия, а потом покрыть его поверхность графитом. После слепок помещают в ванну с электролитом в качестве катода. Пластина нужного металла – анод. Во время прохождения

тока толстый слой металла покрывает слепок. После слепок отделяют от металла и получают точную копию изделия

Кроме  указанных выше, электролиз нашел применениеи в других областях:

 получение оксидных защитных пленок на металлах (анодирование);

 электрохимическая обработка поверхности металлического изделия (полировка);

 электрохимическое окрашивание металлов (например, меди, латуни, цинка, хрома и др.);

очистка воды – удаление из нее растворимых примесей. В результате получается так называемая мягкая вода (по своим свойствам приближающаяся к дистиллированной);

 электрохимическая заточка режущих инструментов (например, хирургических ножей, бритв и т.д.).

Физик Майкл Фарадей подробно изучил явление электролиза и пришел к выводу, что масса выделяющегося на электроде вещества прямо пропорциональна силе тока (I) и времени (t). Этот закон был назван первым законом Фарадея : m=k I tт.к.    q = I t , то  m= k q

Где k – электрохимический эквивалент вещества. k равно массе вещества, которая выделяется на электроде за 1с при силе тока 1А. Это постоянное табличное значение отличное для каждого вещества.

5. Закрепление изученного материала 
1. Какова физическая природа электропроводности в электролитах?

1. Ионная. 2. Электронная. 3. Смешанная (электронно-ионная).

2. Электролитической диссоциацией называется...

1. образование положительных и отрицательных ионов при растворении веществ в жидкости.

2. процесс выделения на электродах веществ, входящих в состав электролита.

3. объединение ионов разных знаков в нейтральные молекулы.

3. Электролизом называется ...

1. процесс выделения на электродах веществ, входящих в состав электролита.

2. объединение ионов разных знаков в нейтральные молекулы.

3. образование положительных и отрицательных ионов при растворении веществ в жидкости.

4. Согласно первому закону Фарадея масса вещества, выделившегося при электролизе...

1. пропорциональна величине заряда, прошедшего через электролит, и зависит от сорта вещества.

2. зависит только от силы тока, идущего через электролит, и от сорта вещества.

3. зависит только от сорта вещества и времени электролиза.

5. При электролизе металл всегда оседает на...

1. катоде    2. аноде.

6. Формула первого закона Фарадея для электролиза

1. m=Ikt   2. k=mIt   3. I=mkt     4. t=mIk

- Решить задачу: При электролитическом способе получения алюминия используются ванны, работающие под напряжение 5 В при силе тока 40 кА. Сколько времени потребуется для получения 1 т  алюминия?

6. Подведение  итогов

Что нового вы узнали на уроке? Что вызвало затруднение?

Подведение итогов. Выставление оценок за работу на уроке.

Задание на дом §109-112

Литература  Кронгарт Б.А,Койшибаев Н. Физика 10 класс.

Скачано с www.znanio.ru