Электрический ток в металлах

итак вы написали контрольную работу по теме магнетизм получили уже тематические оценки и мы приступаем к изучению последние темы в этом учебном году тема небольшая но очень важно речь пойдет о чем ребята что такое электрический ток направленная максим направленное движение заряженных частиц для того чтобы электрический ток существовал необходимо чтобы существовали свободные заряженные частицы в веществе если в веществе существуют свободные заряженные частицы то как называется такое вещество проводник есть диэлектрики в них заряженные частицы не могут свободно упорядочена двигаться а в проводниках они могут упорядочено двигаться и существуют разные виды проводников и вот этот раздел мы с вами посвятим природе носителей заряда тех самых заряженных частиц в различных веществах и так тема раздела электрический ток в различных средах электрический ток в различных средах подчеркиваем двумя линиями этим и будем заниматься до конца учебного года а теперь тема сегодняшнего урока характер движения носителей заряда в проводнике . электрический ток в металлах характер движение носителей зарядов в проводнике электрический ток в металлах домашнее задание на послезавтра на среду конспект задач по этой теме я пока вам не задаю потому что мы еще не изучили достаточно много материала но нам предстоит писать зачетную контрольную работу скоро 23 числа значит для подготовки к этой зачетной контрольной работе на повторение задач из задачника генденштейн а с вот такими номерами 1632 1645 1650 это на закон ома соединение проводников и 1729 и 1756 это на мощности работу электрического тока на тепловое действие электрического тока но теперь слушайте и не говорите что не слышали и так электрический ток это направленное движение заряженных частиц эти частицы мы будем в дальнейшем называть носителями заряда так принято в физике и для того чтобы существовал электрический ток необходимо выполнение как вы помните трех условий чтобы существа длительный электрический ток нужно наличие заряженных частиц что еще электрическое поле и замкнутой электрическая цепь сегодня мы посвятим сегодня и на ближайших уроках мы посвятим наше внимание именно природе этих самых свободных носителей заряда как они движутся на светит неподвижного ничего не бывает даже если тело вот этот кусочек мела стоит на столе и он неподвижен самом деле внутри этого кусочка мела движутся молекулы как они движутся пожалуйста ли они колеблются вокруг своего положения равновесия это хаотические колебания и поэтому даже если у вас электрический ток не течет носители зарядов в проводнике все равно движутся но они движутся хаотически давайте сейчас изобразим приблизительно как они движутся если в проводнике не существует электрического поля без поля вес электрического поля тепловое движение выглядит приблизительно так носитель заряда сразу хочу сказать мы с вами сейчас работаем в рамках моделей классической физики на самом деле квантовая механика немножечко по-другому рассматривает это движение но экспериментальные данные можно объяснить и опираясь на ту модель о которой сейчас идет речь а модель такая носитель заряда частичка это частичка движется в теле от столкновения до столкновения с чем она сталкивается как вы думаете в твердом теле кроме электронов допустим есть ионные вот заряженная частица например электрон движется сталкивается с ионами кристаллической решетки и в целом не существует направленного движения она движется от столкновения до столкновения хаотически собственно это немножко напоминает броуновское движение но ни в коем случае не путайте с ним потому что броуновское движение это движение частицы которую можно рассмотреть в микроскоп но это движение под действием вот таких вот ударов случайно в направлении случайной величины и так без электрического поля в движении носители заряда отсутствует какое-то выделенное направлении хаотическое движение хаотическое движение а теперь включаем электрическое поле в электрическом поле как вы думаете в электрическом поле хаотическое движение останется или она напрочь исчезнет останется конечно ведь температура все равно отлично от нуля и он и колеблются и когда допустим электрон если речь пойдет о металлах а сегодня речь как раз о них пойдет натыкается на этот ион он в случайном направлении может отскочить значит хаотическое движение сохраняется но поскольку проводник у нас сейчас находится в электрическом поле то на это хаотическое движение накладывается упорядоченное движение такое упорядоченное движение физики называют дрейфом и тогда если сложить вместе дрейф его и движение с хаотическим то картина будет выглядеть примерно так допустим электрическая сила действует вправо тогда электрическая сила тянет носитель зарядов право но он по дороге натыкаются на ионы кристаллической решетки и в результате может двигаться очень хитрым образом сложно но в целом в его движении появляется упорядоченность вот я сейчас возьму мел другого цвета и мы соединим начальное положение с конечным вот теперь сюда переместился носитель заряда то есть мы имеем дело с хаотическим движением плюс упорядоченное плюс coupe я до черная и я уже сказал что это упорядоченное движение называется дрейф если мы разделим вот это расстояние между начальным и конечным положением обозначу его например буквой s на время за которое носитель заряда отсюда пришел сюда то мы получим дрейфа вую скорость дрейфа vaio скорости грифовая скорость давайте я обозначу буквой l лучше почему то что буквой s нам сейчас пригодится это или в равняется эй делить на t значит что такое цель это расстояние которое прошел под действием электрической силы носитель заряда а то время за которое пройдено это расстояние и вот поставим перед собой такую задачу научиться связывать силу тока в проводнике с дрейфа вай скоростью и так задача известно дрейф avaya скорость до на надо найти силу тока в проводнике давайте займёмся этим вплотную нарисуем проводник вот проводник длина этого проводника обозначен вот этой самой буквой l допустим носители заряда движутся в среднем вправо что значит в среднем это значит что направление дрейфа будет в правую сторону но на это дрейф его и движение конечно накладывается тепловое но мы о нем забудем сейчас пренебрежем и вот внутри проводника носители заряды движутся все вот сюда направленное движение носители заряда это электрический ток давайте введём следующую величину допустим здесь n носители заряда допустим весь проводник занимает объем v объем проводника тогда давайте разделим количество носителей заряда который вот тут есть на объем этого проводника и это отношение обозначим маленькой буквой н а вот эта величина отношение количества частиц в нашем случае носителей заряда к объему которой они занимают называется концентрация носителей заряда концентрация носителей заряда кстати в каких единицах измеряется концентрация носителей заряда штуки это безразмерная величина объем в каких единицах измеряется в кубических метрах значит концентрация измеряется в обратных кубических метрах хорошо эта величина нам пригодится теперь что мы хотим найти мы хотим найти силу тока а что такое сила тока кто-то может вспомнить артема за единицу времени это количество заряда прошедшие через поперечное сечение проводника за единицу времени где это поперечное сечение вот обозначим его площадь буквой s площадь поперечного сечения и количество заряда прошедшие через это поперечное сечение кстати такой же пройдет и через это просто заря тут не накапливается мы обозначим q общее q общее за время t в течение которого мы наблюдаем за системой тогда сила тока будет равняться отношению к общее делить на время в течение которого этот заряд прошел через поперечное сечение а теперь смотрите допустим мы наблюдаем протекание тока в течение такого времени когда носитель заряда прошел отсюда досюда то есть прошел расстояние и мы можем сказать сколько носителей заряда при этом ваш лов проводник и вышла из проводников если носители заряда все прошли вот это расстояние то те носители которые находятся здесь выходят через это площадь поперечного сечения и принимают участие в только переносе то есть к общее это и есть заряд который сосредоточен сейчас вот здесь заряд свободных носителей заряд одного носителя мы обозначим буквой q заряд одного носителя тогда у общее мы узнаем если заряд одного носителя умножим на количество носителей в этом куске проводника умножим на n с одной стороны с другой стороны величину н мы можем найти умножив концентрацию на объем n равняется концентрация умножить на объем а теперь посмотрите как найти объем вот этого проводника он имеет форму цилиндра площадь поперечного сечения с а длина l как найти объем умножить умножить площадь поперечного сечения на длину длина это высота нашего цилиндра тогда мы можем написать в скорость объем равняется n умножить на с подставляя объем вот сюда мы получаем n равняется концентрация умножить на r на s теперь мы подставляем количество носителей заряда вот сюда и получаем q общее равняется заряд одной частицей умножить на число частиц вот она н.с. и наконец подставляем вот этот заряд прошедшие за время t через поперечное сечение проводника формулу для силы тока что у нас получается вот что сила тока равняется дроби в числителе у нас заряд у н.с. в знаменателе время прохождения заряда а теперь посмотрите внимательно на эту формулу что такое эль делить на t el это длина проводника и заодно кстати это расстояние которое прошли носители заряда от одного конца проводника до другого если мы расстояние пройденное носителями заряда от одного конца проводника до другого поделим на время что на узнаем дрейфа вую скорость вот это и есть в трефовая скорость так что можем решение задачи считать завершенным сила тока в проводнике вот таким образом связано с дрейф ивой скоростью и равняется q нсб q это заряд 1 частички одного носителя н концентрация носителей заряда то есть количество носителей заряда в одном кубическом метре проводника с площадь поперечного сечения проводника в дрейф его я скорость мы видим с вами что чем быстрее движутся носители заряда тем больше сила тока чем больше концентрация носителей заряда тем больше сила тока чем больше площадь поперечного сечения проводника тем больше сила тока кстати связь силы тока с площадью поперечного сечения для нас должна быть очевидно вы помните что сопротивление проводника обратно пропорциональна площади поперечного сечения а чем меньше сопротивление тем больше сила тока так что это здесь работает вот как движутся носители заряда в любом проводнике если это металл если эта жидкость в любом случае на движение случайно и тепловое накладывается упорядоченное движение вот можно привести такой образ представьте себе лук на нем пасется корова допустим она стоит на месте над коровой вьются мошки какой характер движения этих мошек хаотически они летают совершенно беспорядочно и вот движение этих мушек напоминает движение носители заряда в проводнике в котором нет электрического поля а теперь допустим корова пошла корова идет движется в определенном направлении но над ней продолжают виться эти ножки на движение этих мушек накладывается упорядоченное движение коровы и получается приблизительно такая картина как картина движение носителей зарядов в проводнике в котором течет электрический ток ну а теперь переходим к конкретным веществам мы с вами рассмотрим природу электрического тока в металлах в жидкостях в полупроводниках в газах впереди большая работа но начнем с электрического тока в металлах вы узнаете что свободными носителями заряда в металлах являются электроны свободные электроны но а как же люди узнали что именно свободные электроны являются свободными носителями заряда являются носителями заряда в металлах ответить на этот вопрос было непросто но прежде чем говорить об этом я хочу вам дать ссылку на одну повесть артура конан дойля вы наверное знаете самую знаменитую книгу конан дойля это записки о шерлоке холмсе но у него есть еще повесть которая называется открытие ruffle за холм прочитайте конан дойль я как раз его читал где-то классе восьмом помню оторваться было невозможно кто же такой был раффлз холл это был ученый который хотел получить золото из других материалов достаточно стандартная задача перед алхимиками ну книга была опубликована в 1891 году уже был известен электрический ток и вот раффлз how решил а что если я буду пропускать электрический ток через разные материалы если пропускать ток через разные материалы а вдруг они будут превращаться из одного в другой и можно таким образом получить золото он как-то вечером установил брусок из свинца в тисочки таки с одной стороны контакт с другой стороны контакт и подключил к батарее и начал пропускать электрический ток все это было в штативе пошел спать на утро приходит свинца нет кусочек пропал где он он смотрит а на полу лужа блестящего чего-то это было ртуть написал конан дойл значит ухуууу рафу за how из свинца получилось ртуть и вот похожий опыт в 1901 году провел немецкий физик реки опыт рыбки норики был достаточно грамотным человеком чтобы не ожидать что ему удастся получить золото и опыт был похож на опыт ruffle за хау он взял цилиндрик но только не из одного металла а3 цилиндрика из трех точнее из двух металлов один цилиндрик алюминиевый посередине медный и с этой стороны тоже алюминиевый он сжал их специальными this очками и пропускала электрический ток через вот эту структуру сюда он подключил положительный полюс батареи сюда отрицательно наверное там еще реостат был чтобы короткого замыкания не было я его не буду рисовать вот такая электрическая схема и пропускал электрический ток через эту систему в течение одного года за это время через структуру прошел зарядку три с половиной миллиона кулона после этого реки а делал он это все тысяча 900 девятьсот первом году завершил я описал этот опыт реке разделил эти цилиндрики и посмотрел не появилось ли что-нибудь от алюминия там где медь и не появилось ли что-нибудь в алюминии не обменялись ведь чем-нибудь медь и алюминий а нет ли каких-то следов с этой стороны и с этой стороны чего-то чего там раньше не было то есть не привел или электрический ток через эту систему перемещению чего-то имеющего отношения к днк red на камеди или конкретно к алюминию ну там допустим атомов меди или атомов алюминия как это бывает при диффузии для диффузии тут слишком низкая температура диффузии не происходило реки ничего не обнаружил но здесь есть носители заряда есть потому что медь проводник здесь есть носители заряда есть потому что алюминий тоже проводник и раз входит движение носителей заряда отсюда сюда не здесь не здесь ничего не изменилось это значит что им алюминии и в меде носители заряда одни и те же вот первый вы который был сделан физиками в любом металле носители заряда одни и те же они не являются характеристикой данного металла следующий вопрос а что же это за носители заряда ведь существует множество разных заряженных частиц ответ на этот вопрос был дан позже в 1913 году в то время в российской империи физики мандельштам и папалекси мандельштам и папалекси папалекси видимо греческого происхождения фамилия они сумели установить знак свободных носителей заряда в металлах установили знак носители заряда немножко позже в 1916 году американцы томмен истер не только подтвердили то что носители заряда в металле имеют отрицательный знак но и доказали что это электронной доказали что это электрон и как же они это сделали а идея очень простая представьте себе что вы едете в трамвай который движется с достаточно большой скоростью и по какой-то причине трава резко затормозил куда вы начнете двигаться вперед потому что вы обладаете инертностью трамвай изменил свою скорость а для того чтобы тело изменила свою скорость нужно какое-то время и вот вы некоторое время движетесь в направлении в котором раньше двигался трамвай теперь давайте сделаем следующий шаг давайте возьмем трубку загнутую свернутую в кольцо вот такую трубку свернутую в кольцо вот ось вокруг которой мы эту трубку быстро раскрутим допустимые и вращаем в эту сторону в трубке находятся шарики которые могут свободно перемещаться вдоль трубки трубку раскрутили шарики вместе с трубкой раскрутились а потом эту трубку резко затормозили вот тут например два таких вот тормоза с одной стороны и с другой стороны тормозах если мы прижимаем тормозок трубки в какую сторону частицы начнут двигаться по инерции они будут двигаться в ту же сторону в которую крутилась раньше трубка то есть направление движения частиц вот а теперь вспомним что внутри металла есть свободные носители заряда они подобны шариком и что если мы возьмем из металла сделаем кольцо быстро его заставим вращаться а потом резко затормозил электроны по инерции будут продолжать двигаться у них масса хоть и крошечное 10 минус 30 приблизительно килограмма но она есть значит чтобы электроны остановились нужно какое-то время и вот тогда в ходе торможения здесь будет направленное движение электронов направленное движение электронов от электрический ток надо только его зафиксировать для этого нужно взять проводник и как то выводы из него сделать и вот сейчас мне предстоит нарисовать очень сложны для меня рисунок но я попробую мне просто интересно получиться или нет каким образом можно отвести ток от этого кольца рисуя за мной сначала рисуйте чуть-чуть карандашиком потом на видео и так вот наше кольцо мы хотим от него отвести выводы чтобы обнаружить только в этом кольце сделаем следующий один вывод будем вести вниз вот так а второй вывод будем вести вверх один вывод вниз второй вверх а так теперь можно навести эту картинку значит вот кольцо провод идущий вверх дальше он вот так вот уходит вниз и 2 вторая часть так итак о вот все лишнее стираем получается что мы кольцо разорвали и один краешек пустили вниз а второй вверх а теперь раскрутим это кольцо точно так же как мы делали вот там снабдим эту систему двумя тормозами вот так и для того чтобы обнаружить ток подключим сюда гальванометр здесь можно сделать игольчатые скользящие подшипники так что контакт будет электрический хорошим и при этом он не будет препятствовать вращению а сюда подключим гальванометр а теперь самое главное смотрите когда мы раскрутили это кольцо и резко затормозили куда пойдут частицы носители заряда они по инерции буду двигаться в эту же сторону значит они двигаясь вот сюда куда им деваться дальше они по этому проводу пойдут вверх значит частицы пойдут по проводу сюда движение частиц раз здесь направленное движение частиц значит тут течет электрический ток а теперь вопрос что принимается за направление электрического тока что мы принимаем за направление электрического тока артём направление движения положительно заряженных частиц гальванометр прибор со стрелкой посередине 0 у него находится посередине он способен зарегистрировать ток текущие как в одну так и в другую сторону и вот если носителями заряда в металле являются положительные частицы то куда потечет ток туда же куда движутся частицы значит он потечёт сюда ток если частицы движущиеся в металле имеют над плюс заряд у них положительный а если носителями заряда являются отрицательно заряженные частицы то если отрицательно заряженные частицы двигаются вот так куда течет ток в противоположную сторону ток если частицы заряжены отрицательно и вот мандельштам и папалекси измеряя направление токов подобной системе выяснили что заряд частиц отрицательной от огненный стюарт эту систему усовершенствовали и измерили отношения заряда электрона к массе эта величина называется удельный заряд q делить на м и оказалось что таким отдельным зарядом таким отношениям заряда к массе обладают электроны так было доказано что носителем заряда в металлах были электроны конечно же у томми на и стерта установка была немножко не такая это не был один виток дело в том что если сделать такую установку то ток который тут протекает ничтожно маленький и гальванометр его не зарегистрируют но как можно это так увеличить как ты думаешь конечно надо сделать катушку и вот упал мины и стерта катушка содержала тысячи витков провода и установка толмана и стерта мандельштама папалекси была похожая установка тол не нова и стерта было устроено вот так катушка с огромным количеством витков 1 и второй провод присоединены к верхней и нижней половинке оси вот ось вокруг которой вращается в цилиндр вот отсюда проводок выходит подключен вот сюда допустим это внешне а начало провода подключены сюда как то вот так покажем пунктир чиков дальше здесь были скользящие контакты и они точно также как здесь были подключены гальванометр у катушка до высокой скорости раскручивалась двигателем и резко тормозилась с помощью тормозных колодок что-то такое этот тормоза один тормоз 2 тормоз скользящий контакт скользящий контакт катушка с проводом когда tall man i стюарт измерили зависимость тока который тут протекал от времени и at&t у них получился вот такой график по вертикали мы отложим силу тока по горизонтали время вот этот момент здесь ноль начала торможения начала торможения как только колодки прижались началось торможение потек ток и он успокоился после того как он прекратил течь после того как катушка остановилась остановка катушки анализируя этот график зная каким проводом какой длины намотали катушку да какой угловой скорости какой частоты раскрутили катушку толкину стюарт смогли доказать что носителями заряда в металле являются электронной долю [музыка] как только катушка остановится и и скорость перестанет меняться значит носители заряда уже будут двигаться не упорядочен это будет тока тепловое движение а раз тепловое движение ток не течет инерция чего электронов ребята дело в том что электрон и имеют массу 9 и 1 на 10 в минус 31 килограмм а поэтому они останавливаются тут же как практически тут же как только останавливается катушка то есть остаток времени после остановки катушки очень короткий но это хороший вопрос на самом деле вы его задали меня этим порадовали ну и заключение давайте посмотрим небольшой видеофрагмент посвященный тому о чем я вам уже сейчас рассказывал электрический ток в металлах [музыка] нет тут не диктуют 5 поставил первый опыт для вы их не не вопросах что является носителем заряда за металлу ну он пропускал электрический ток через три цилиндра из разных металлов два явления один из небе [музыка] кто-то белки более года [музыка] через цилиндр и прошел огромный заряд порядка миллиона кулон [музыка] у однако русская не обнаружил какого-либо переноса вещества а цилиндров цилиндров он высказал предположение электрическая проводимость металлов обусловлено применением каких-то на крупные заряда одинаковых для всех металлов [музыка] 1912 году русские судить e-elt мандельштам упа палетки поттеры опыт по обнаружению инерционного движения носителей заряда в металлу прекратили колебаниях катушке или фоне слышался звук следовательно хотим возникал электрический ток понять это явление поможет простая аналогия при остановке модели жидкость продолжает движение планеткой точно также по инерции должны двигаться в металлах свободные носители зарядов однако опыт мандельштама по порядку еще не выиграл природу носителей зарядов 1916 году американский suzuki туман питер видоизменили этот опыт потому что вращалась большой скоростью и резко тормозилась и лоток измерялось дрова номером [музыка] обратите внимание на показания прибора [музыка] мы отмолить мне удалось установить что свободные носители заряда в металлах электрон и эти опыты легли в основу электрон ним сегодня проводимости металлов [музыка] между ионами представить идти решетки металла хотите приблизиться свободные электроны покажется электрического поля нет 5 куклу с электронов не перемещается вдоль проводника каменный цветок отсутствует [музыка] одни thinking стационарного электрического поля электроны начинают смещаться вдоль проводника [музыка] [аплодисменты] едрить электронов по проводнику и там есть электрический ток в металлах [аплодисменты] [музыка]