Реферат: Електрони та їх роль в електричному струмі
В С Т У П
З початком відкриття електрона вченими Йоффе і
Мілікена , житті людства настала нова ера . Пізніше були виведені
закони постійного струму,розпочалося будівництво електростанцій.
На основі дії електричного струму людство почало застосовувати
нові технології і прилади , що змінили життя мільйонам, відбулась
індустріальна революція , погляди на життя змінилися. Тепер не
можливо уявити собі світ без напрямленого руху електронів.
Напрямлений рух електронів зумовлюється силами стаціонарного
електричного поля , наявність якого є однією з необхідних умов
існування струму.
Електричним струмом називається упорядкований рух заряджених
частинок під дією електричного поля. До заряджених частинок
відносяться електрони , іони , протони. Оскільки протони
знаходяться в ядрі атома , то вони ніякої ролі не можуть мати в
процесі передачі електричного струму . З технічної точки зору
електричний струм передається по металевих провідниках , у яких
основними носіями є електрони.
“ ЕЛЕКТРОНИ ТА ЇХ РОЛЬ В ЕЛЕКТРИЧНОМУ
СТРУМІ ”
( НАУКОВИЙ РЕФЕРАТ)
ПЛАН
1 . Як відкрили електрон ?
2 . Дрейф електронів в металах .
3 . Як Ом математично розробляв свій закон .
4 . Четвертий стан речовини .
- 1 -
1 . Як відкрили електрон ?
Існування найдрібніших частинок , що мають найменший електричний заряд доведено багатьма дослідами. Електричний заряд одна з основних властивостей електрона. Не можна собі уявити , що цей заряд можна “ зняти” з електрона , вони невіддільні один від одного.
Електрон частинка з найменшим від’ємним зарядом.
-31
Маса електрона м =9,1*10 кг.
-19
Заряд електрона е=1,6 *10Кл.
Перенесення заряду – це перехід з одного тіла на інше . Щоб уявлення про заряд електрона зробити наочнішим , зазначимо , що коли в провіднику сила струму дорівнює 1А , тобто за 1с
18
переноситься 6,288 *10 електронів. Через лампочку потужністю
18
60 Вт при напрузі 120 В за секунду проходить 3,144 *10 електронів!
Мимоволі виникає запитання , наскільки можна вірити наведеним числам . Що це – сміливе припущення чи результат дійсних вимірювань ? Якщо вимірювань , то ким , коли і як ці вимірювання зроблені.
Історія електрона починається з другої половини 19 ст. ,коли англійський фізик Фарадей установив закон електролізу . Розкладання хімічних сполук під дією електричного струму було відоме ще до Фарадея. Саме слово “електроліз” він увів , так само як і терміни “електроліти” для розчинів кислот , солей , лугів і основ , “електроди “ для полюсів , підводять до рідини струм , “іони” для частинок , на які розпадається розчинена речовина . Зазначимо , що слово “іон” грецьке , в перекладі означає “подорожній” , “мандрівник”. Розкладання електролітів на іони –
електролітична дисоціація – зумовлюється не електричним струмом, а тим , що вода має властивість у 81 раз послаблювати притягання між іонами в кристалічній решітці хімічних сполук.
Наша основна мета – з’ясувати , як зародилася думка про існування електронів. Власне кажучи , на цю думку наштовхує вже закон електролізу , встановлений Фарадеєм.
- 2 -
Закон електролізу формулюється так : маса речовини , яка виділяється на електроді за час t під час проходження електричного струму , пропорційна силі струму і часу : m=klt , де k- коефіцієнт пропорційності , що залежить від природи речовини .
У 1879 р. Уільям Крукс прочитав перед Лондонським Королівським товариством доповідь під заголовком “Молекулярна фізика при великих розрідженнях”. У цій доповіді він показав , що коли відкачати повітря в трубці з впаяними електродами , то в трубці на протилежному до катода кінці при високій напрузі виникає зеленувате світіння скла – фосфоресценція. Якщо позитивний полюс впаяти в інше місце , то світіння все одно виникає на кінці протилежному до поверхні катода , ніби від катода йде потік проміння в прямому напрямі (катодне проміння).Розміщуючи на шляху катодного проміння металевий екран , наприклад ,у вигляді зірки , можна дістати тінь його в зеленувато-фосфореціюючій ділянці трубки ; це ще більше підтверджує прямолінійність катодного проміння (мал.№1).
У Кембриджі працював один з найвидатніших фізиків 19 ст. Джозеф Джон Томсон . Він ретельно дослідив катодне проміння .
Визначні в історії фізики досліди Томсона на відхилення катодного
Проміння в магнітному або електричному полі показали , що катодне проміння – це пучок швидких електрично заряджених частинок. Томсону довелося довести , що заряд цих частинок тотожний елементарному заряду, виявленому Фарадеєм у дослідах з електролізу. Отже, катодне проміння – це потік заряджених частинок-електронів. Оскільки електричний струм має магнітні властивості, то природно, що електрони, які летять в трубці ,відхиляються під впливом магніту. Електричне поле також діє на заряджену частину.
Томсон ставив досліди в багатьох варіантах. Малюнок № 2 показує одну з установок, які він застосував: на малюнку виділено частину цієї установки, яка дасть змогу зрозуміти ідею досліду.
Камінь кинутий горизонтально, відхиляється від горизонтальної лінії силою земного притягання. Так само електрон відхиляється силою, з якою діє на нього магнітне чи електричне поле. Для
- 3 -
магнітного поля ця сила F=BeV , де В – магнітна індукція , е- заряд електрона .V- швидкість його руху. Для електричного поля відхиляюча сила дорівнюватиме Ее. Під дією цієї сили електрон набуде прискорення а= Ее/m в напрямі до нижньої позитивно зарядженої пластинки конденсатора і зміститься від горизонталі на
2 2
відстань S=1/2at=1/2*Ee/m*t.Час проходження між пластинками конденсатора довжиною l знайдемо за формулою рівномірного руху t=l/V.Підставляючи це значення у формулу для S , дістанемо :
2 2 2 2
½*Ee/m*t/V . Звідси e/m*1/V=2S/Et.
Величини правої частини рівняння можна визначити з досліду , а в лівій частині залишаються дві невідомі : відношення e/m і швидкість V. Щоб визначити швидкість , Томсон застосував метод зрівноважування дії електричного поля дією відповідно підібраного магнітного поля . Тоді світна пляма на екрані залишиться нерухомою на осі приладу . Оскільки при цьому електрична і магнітні сили рівні , то Ee=BeV, звідки V=E/B.
Визначивши швидкість , можна за попередньою формулою знайти й відношення e/m . Дослід повторювали багато разів ; тепер
11
приймають , що e/m =1,76*10 Кл/кг.
Томсону належить і перший метод визначення й маси електрона . Для цього він спостерігав осадження в скляній посудині хмарки з дрібненьких водяних краплинок , які сконденсувалися з насиченої водяної пари на іонах водню.
Звідки ж беруться електрони в описаних дослідах з вакуумними трубками ? Вони вибиваються з металу катода ударами іонів газу , невелика кількість якого повинна залишатися в трубці .
Електрони – складова частина кожного атома кожної речовини . Але чому ж тоді метали , наприклад , не заряджені ? Очевидно , до складу атома входять ще й позитивні заряди , що зрівноважують заряд електронів . Томсон зображав модель атома як суцільну кульку з рівномірно розподіленим в об’ємі позитивним зарядом ;
усередині кульки , говорив він , містяться електрони , наче ізюм в пудингу . Пізніше в результаті тонких і складних експериментів учені прийшли до планетарної моделі атома , за якою атом являє
- 4 -
собою , ніби планетарну систему в малому масштабі . Роль Сонця в атомній системі виконує позитивно заряджене ядро, навколо якого,
як планети в Сонячній системі , обертаються електрони . Цю модель атома запропонував англійський фізик Резерфорд у 1911 р.
Найпростіший атом – атом водню має лише один електрон і відповідно до цього найпростіше ядро з одним позитивним , зарядом , що дорівнює заряду електрона . Ядро з таким зарядом назвали протоном . В електрично нейтральному атомі кількість електронів дорівнює кількості протонів .
- 5 -
2 . Дрейф електронів в металах .
Слово “дрейф” запозичене з морської термінології від англійського drift , що означає знесення , відхилення від курсу судна в морі вітром або течією .
Що таке електричний струм ?
Струмом називають упорядкований рух заряджених частинок –
електронів у металевих провідниках , іонів у розчинах солей , лугів, електронів та іонів у зо світних лампах ?Особливо в металах ,
бо якщо в рідинах і газах рух зарядів можна спостерігати за різними світловими ефектами , то рух у металевих проводах залишається повністю прихованим і можемо спостерігати лише теплову або магнітну дію “електричного струму” .
Як же було доведено наявність руху електронів у металевих проводах ? Ідея проведення перших якісних дослідів , які безсумнівно довели , що струм у проводах – це рух електронів , належать академікам Л.І.Мандельштаму, і М.О.Паплексі (1912) .
Ця ідея надзвичайно проста . Потрібно було тільки довести , що деякі з електронів не зв’язані міцно з ядром атом , а вільно рухається в просторі між атомами . Уявіть тепер , що кусок металевого дроту швидко рухається в напрямі , показаному стрілкою (мал.№3) , несучи з собою електрони , які містяться в цьому куску . Що станеться , коли його раптово зупинити ? Вільні не зв’язані міцно з атомом електрони відповідно до закону інерції зміщуються в напрямі руху дротини . Тому на передньому кінці виникає надлишок електронів , а на протилежному – нестача . Надлишок електронів створює на передньому кінці дротини негативний заряд , нестача – позитивний . У тому , що виникають ці два полюси можна переконатись , виявляючи чутливим приладом струм . У дослідах Мандельштаму і Папалексі використовуючи не прямий провідник , а котушку з дуже довгого і тонкого ізольованого дроту , яка здійснювала крутильні коливання навколо своєї осі . Струм , який виникав під час зміни напряму повертання котушки , йшов то в одному , то в протилежному напрямі , залежно від того , який бік поверталася котушка . Цей змінний струм виявили за допомогою телефону.