Docsity
Docsity

Przygotuj się do egzaminów
Przygotuj się do egzaminów

Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity


Otrzymaj punkty, aby pobrać
Otrzymaj punkty, aby pobrać

Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium


Informacje i wskazówki
Informacje i wskazówki

W jaki sposób metal przewodzi prąd elektryczny, Notatki z Edukacja

na przewodnictwo elektryczne tych materiałów. ... W poniższej tabeli zestawiono przykładowe wartości oporu właściwego różnych materiałów: Materiał.

Typologia: Notatki

2022/2023

Załadowany 24.02.2023

Monika_B
Monika_B 🇵🇱

4.9

(38)

307 dokumenty

Podgląd częściowego tekstu

Pobierz W jaki sposób metal przewodzi prąd elektryczny i więcej Notatki w PDF z Edukacja tylko na Docsity! W jaki sposób metal przewodzi prąd elektryczny Wprowadzenie Przeczytaj Animacja 3D Sprawdź się Dla nauczyciela Czy to nie ciekawe? Wyjaśnianie obserwowanych własności makroskopowych różnych materiałów na podstawie ich budowy wewnętrznej jest jednym z podstawowych zadań fizyki. Z tego e‐materiału dowiesz się, w jaki sposób budowa metali na poziomie mikroskopowym wpływa na przewodnictwo elektryczne tych materiałów. W jaki sposób metal przewodzi prąd elektryczny Opór elektryczny właściwy można powiązać z mikroskopowymi właściwościami materiału. W szczególności zależy on od koncentracji nośników ładunku i ich ruchliwości. Można o tym przeczytać w e‐materiale pt. Zależność oporu właściwego od ruchliwości nośników ładunku. Ruch elektronów swobodnych w metalach nie jest w pełni „swobodny”, ponieważ w trakcie ruchu oddziałują one z innymi elektronami, a przede wszystkim z jonami sieci krystalicznej. Specyfikę tego ruchu opisuje tzw. klasyczny model przewodnictwa. Poniżej, w ogromnym uproszczeniu, przedstawiono podstawowe założenia i wnioski tego modelu. Bez zewnętrznego pola elektrycznego elektrony wykonują chaotyczne ruchy termiczne, zderzając się ze sobą i z jonami sieci krystalicznej. W wyniku takiego ruchu, średnie położenie elektronów praktycznie się nie zmienia (Rys. 1.). Rys. 1. Przykładowy tor elektronu podczas jego chaotycznego, termicznego ruchu w metalu. Z powodu efektów kwantowych, a w szczególności z uwagi na zakaz Pauliego, który nie pozwala na obsadzenie przez wszystkie elektrony najniższego stanu energetycznego, średnia prędkość elektronów w metalach, związana z ich chaotycznym ruchem termicznym, jest wyższa od prędkości cząstek w klasycznym gazie doskonałym o tej samej temperaturze. Jest ona rzędu 10 m/s. Jeżeli do końców przewodnika o długości przyłożymy napięcie elektryczne , to pojawi się w nim pole elektryczne o natężeniu: 6 l U E = U l . Pod wpływem tego zewnętrznego pola, zgodnie z drugą zasadą dynamiki, elektrony doznają przyspieszenia: gdzie  jest siłą, z jaką pole elektryczne działa na elektron o ładunku  . Przyśpieszenie elektronu wynosi zatem: Przyśpieszony ruch elektronu trwa dosyć krótko, bo do chwili jego zderzenia się z jonem sieci krystalicznej. W wyniku takiego zderzenia elektron traci praktycznie całą swoją energię kinetyczną. Wyhamowany elektron nie pozostaje jednak w spoczynku - jest ponownie przyspieszany przez pole elektryczne, znowu zderza się z jednym z jonów sieci krystalicznej itd. Efekt ten powoduje dodanie do prędkości ruchów termicznych dodatkowej, ukierunkowanej prędkości średniej , która z powodu ujemnego ładunku elektronu, ma kierunek przeciwny do natężenia zewnętrznego pola elektrycznego. Prędkość ta nosi nazwę średniej prędkości dryfu (Rys. 2). W przewodniku zaczyna płynąć prąd elektryczny o natężeniu (Rys. 3.). Rys. 2. Dryf elektronu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. a = F m , F = eE e a = eE m . u I Rys. 3. Dryfujące elektrony zderzają się z jonami sieci krystalicznej. Zakładając, że między zderzeniami z jonami sieci ruch elektronu jest jednostajnie przyśpieszony, z przyśpieszeniem  oraz przyjmując, że w wyniku zderzenia elektron przekazuje sieci krystalicznej całą swą energię kinetyczną, możemy obliczyć prędkość, jaką rozwija elektron w swoim ruchu swobodnym: gdzie jest średnim odstępem czasu między kolejnymi zderzeniami dryfującego elektronu z jonami sieci krystalicznej. Ponieważ w ruchu jednostajnie przyśpieszonym bez prędkości początkowej, prędkość średnia jest średnią arytmetyczną prędkości początkowej (która jest równa zero) i końcowej otrzymujemy: Z otrzymanego wzoru wynika, że o prędkości dryfu, poza zewnętrznym polem elektrycznym, decyduje średni odstęp czasu między zderzeniami elektronów z jonami sieci. Parametr ten zależy od wielu czynników (m.in. temperatury, budowy krystalicznej metalu, defektów struktury krystalicznej, zanieczyszczeń) i, jak się okazuje, w istotny sposób wpływa on na opór elektryczny materiału. Średnia prędkość dryfu elektronów jest rzędu 10 m/s. Jest ona bardzo mała w porównaniu z prędkością ruchów termicznych, która jest rzędu 10 m/s, a jest tego samego rzędu co prędkość, z jaką przemieszcza się ślimak winniczek. Klasyczna teoria przewodnictwa dosyć dobrze opisuje zjawisko przewodnictwa elektrycznego w metalach. Teoria ta nie radzi sobie jednak z wyjaśnieniem doświadczalnie obserwowanej zależność oporu elektrycznego od temperatury. Przyczyną wspomnianej a = eE m , v = aτ, τ u = v 2 = eEτ 2m . -4 6 pięcioramiennych gwiazdek w kolorach żółtym, białym i czerwonym na granatowym tle, po którego prawej stronie znajduje się czarny napis, którego wyrazy rozpoczynają się z dużych liter, treści: "Fundusze Europejskie Wiedza Edukacja Rozwój" oraz logo składające się z granatowej flagi ze złotymi dwunastoma gwiazdami ułożonymi w kształt okręgu z czarnym napisem po lewej stronie, którego wyrazy rozpoczynają się z dużych liter, treści "Unia Europejska". Polecenie 1 Polecenie 2 Skoro prawdą jest, że energia wydzielona w przewodniku, przez który przepływa prąd elektryczny zwiększa się proporcjonalnie do czasu (tzw. prawo Joule'a-Lenza) wyjaśnij, dlaczego włókno żarówki może pracować bardzo długo i nie topi się pod wpływem prądu? Dlaczego przewodniki nagrzewają się, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny? Zaznacz prawidłową odpowiedź na to pytanie. Ruch elektronów swobodnych w przewodniku pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego przypomina opadanie różnych przedmiotów (np. kamyków) w wodzie pod wpływem siły grawitacji. Na takie przedmioty oprócz skierowanej do dołu siły grawitacji, działa, skierowana przeciwnie do kierunku ruchu, siła oporu ośrodka. Opór ośrodka w swojej naturze jest podobny do siły tarcia - jego istnieniu towarzyszy wydzielanie się ciepła. To dlatego podczas przepływu przez przewodnik prądu elektrycznego jego temperatura wzrasta. Pod wpływem przyłożonego napięcia elektrony przewodnictwa uzyskują pewną energię kinetyczną, którą, podczas niesprężystych zderzeń, przekazują jonom sieci krystalicznej. W efekcie, jony sieci krystalicznej przewodnika wykonują intensywniejsze drgania wokół swoich położeń równowagi. Zwiększenie energii drgań jonów sieci oznacza wzrost energii wewnętrznej przewodnika, a w konsekwencji również wzrost jego temperatury. Uzupełnij   Sprawdź się Pokaż ćwiczenia: 輸醙難 Ćwiczenie 1 Poniższy rysunek ilustruje dryf elektronów przewodnictwa w metalu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Wstaw właściwe hasła w odpowiednie miejsca na tym rysunku. elektrony przewodnictwa, kierunek średniej prędkości dryfu, przykładowy tor elektronu, kierunek natężenia zewnętrznego pola elektrycznego, jony sieci krystalicznej ................. .......... ................. ................. ................. 輸 Ćwiczenie 2 Rozwiąż krzyżówkę: 1. 2. 3. 4. 5. 1. Przezroczysty materiał o dużym oporze elektrycznym właściwym. 2. Wielkość, która obok koncentracji, ma duży wpływ na opór właściwy metali. 3. Wielkość fizyczna, której jednostką jest om (Ω). 4. Inaczej o oporze elektrycznym właściwym. 5. Przemieszczanie się elektronów w sposób uporządkowany pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Ćwiczenie 3 Przyłożenie zewnętrznego pola elektrycznego powoduje, że średnia prędkość ruchu elektronów: praktycznie się nie zmienia znacznie rośnie znacznie maleje Ćwiczenie 4 Opór elektryczny właściwy srebra wynosi 1,59·10 Ω·m, a żelaza 10 Ω·m. Wyjaśnij, który z wymienionych metali jest lepszym przewodnikiem. -8 -7 Uzupełnij    輸 輸 輸 輸 Dla nauczyciela Imię i nazwisko autora: Jarosław Krakowski Przedmiot: Fizyka Temat zajęć: W jaki sposób metale przewodzą prąd elektryczny Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony Podstawa programowa Cele kształcenia – wymagania ogólne II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych. Zakres podstawowy Treści nauczania – wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń: 3) prowadzi obliczenia szacunkowe i poddaje analizie otrzymany wynik; 15) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu. VII. Prąd elektryczny. Uczeń: 2) rozróżnia metale i półprzewodniki: omawia zależność oporu od temperatury dla metali i półprzewodników. Zakres rozszerzony Treści nauczania – wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń: 3) prowadzi obliczenia szacunkowe i poddaje analizie otrzymany wynik; 19) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu. VIII. Prąd elektryczny. Uczeń: 1)opisuje przewodnictwo w metalach, elektrolitach i gazach; wyjaśnia procesy jonizacji w gazach, wskazuje rolę promieniowania, wysokiej temperatury i dużego natężenia pola elektrycznego. Kształtowane kompetencje kluczowe: Zalecenia Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r. kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji, kompetencje cyfrowe, kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii, kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się. Cele operacyjne: Uczeń: 1. wyjaśnia budowę wewnętrzną metali, 2. wylicza i porównuje wielkości mogące wpływać na przewodzenie prądu, 3. streszcza klasyczny model przewodnictwa, 4. stosuje zdobyta wiedzę w rozwiązywaniu zadań, 5. analizuje animację 3D poświęconą przewodnictwu prądu przez metale. Strategie nauczania IBSE (Inquiry‐Based Science Education - nauczanie/uczenie się przedmiotów przyrodniczych przez odkrywanie/dociekanie naukowe) Metody nauczania wykład informacyjny, burza mózgów, pokaz multimedialny Formy zajęć: praca zespołowa, praca w parach Środki dydaktyczne: symulacja interaktywna, rzutnik Materiały pomocnicze: e‐materiał: „Zależność oporu właściwego od ruchliwości nośników ładunku” PRZEBIEG LEKCJI Faza wprowadzająca: Nauczyciel stawia pytanie: Jaki jest związek między budową mikroskopową metali i przewodzeniem prądu, w szczególności z oporem elektrycznym? Nauczyciel razem z uczniami przypomina podstawowe wiadomości o prądzie elektrycznym i podstawowych wielkościach opisujących prąd oraz wiadomości o budowie metali. Faza realizacyjna: Pytanie nauczyciela: jakie elementy budowy wewnętrznej mogą wpływać na przepływ prądu? Efektem dyskusji powinno być stwierdzenie, że tymi elementami są: ilość nośników prądu i opory, jakie napotykają w trakcie ruchu. Nauczyciel zapoznaje uczniów z klasycznym modelem ruchu elektronów w metalu na bazie animacji. Zwraca uwagę na różnice w wartościach prędkości termicznej i prędkości dryfu. Na podstawie modelu klasycznego uczniowie, korzystając ze wskazówek nauczyciela, wyprowadzają zależność między prędkością dryfu i natężeniem zewnętrznego pola elektrycznego. Na podstawie symulacji multimedialnej uczniowie powinni zauważyć wpływ wzrostu temperatury na prędkość dryfu elektronów, a zatem i na opór właściwy. Nauczyciel informuje o ograniczeniach modelu klasycznego. Faza podsumowująca: Uczniowie rozwiązują zadania z zestawu ćwiczeń: 1‐4. Nauczyciel wspiera uczniów w realizacji zadania. Praca domowa: Rozwiązanie zadań z zestawu ćwiczeń: 5‐8 w celu utrwalenia wiadomości zdobytych na lekcji. Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium Animacja może być wykorzystywana na zajęciach, na których omawiany będzie związek między szybkością nośników a natężeniem prądu i związku oporu elektrycznego właściwego z ruchliwością nośników.