Вывод: Несамостоятельный разряд происходит только при вызывающем и поддерживающем ионизацию внешнем воздействии

ПРИМЕРНЫЕ ПЛАНЫ УРОКОВ ПО ЭЛЕКТРОДИНАМИКЕ

(ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ)

Выполнил: А. Найдин

Новокузнецк, 2011 г.

"Электрическая материя состоит из частиц крайне малых, так как они могут пронизывать обычные вещества такие плотные, как металл, с такой легкостью и сво­бодой, что не испытывают заметного сопротивления".

Франклин

Урок 43/25. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ

ЦЕЛЬ УРОКА: Выяснить природу носителей свободного заряда в металлах, характер их движения в процессе тока.

ТИП УРОКА: комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: блок питания, амперметр и вольтметр демонстрационные, резисторы на колодке, терморезистор полупроводниковый, стакан с водой и стакан с раствором медного купороса, термопара, кинофильм "Электрический ток в различных средах".

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Работа над ошибками 15 мин

3. Объяснение 15 мин

4. Закрепление 10 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Работа над ошибками, допущенными при выполнении контрольной работы № 5.

III. Электрическая проводимость различных веществ. Демонстрация электропроводности металла, полупроводника, изолятора.
Проводники - вещества, хорошо проводящие электрический ток (металлы, расплавы металлов, электролиты, все газы при высоких напряжениях или при низком напряжении и сильном разрежении газа).
Диэлектрики - вещества, плохо проводящие электрический ток.
Полупроводники - класс веществ, занимающих по электропроводности промежуточное положение между металлами и хорошими диэлектриками.

Металлические проводники и их применение: линии электропередач, обмотки электродвигателей, электронагревательные элементы.

Жидкие и твердые полупроводники. Применение полупроводников в качестве элементов, преобразующих ток.

Диэлектрики и их применение.

Природа носителей свободного заряда в металлах. Экспериментальные доказательства существования свободных электронов в металле: опыт Рикке, опыт Мандельштама и Папалекси, опыт Толмена и Стюарта.

Вывод: Ионы металла не принимают участие в переносе электрического заряда, поэтому носителями свободного заряда в металлах являются электроны (У. Томсон, 1903 г.).

Изолированные атомы металла нейтральны, поскольку металлы в газооб­разном состоянии не проводят электрический ток. Объединение (конден­сация) нейтральных атомов металла в жидкое или твердое состояние и дополнительное взаимодействие между ними приводит к тому, что внеш­ние валентные электроны утрачивают связи со своими атомами и стано­вятся свободными. Демонстрация электродинамической модели атома металла (литий) и модели металлического кристалла.

"Появление электропроводности при конденсации металлического пара в твердое или жидкое тело обуславливается явлением, которое может быть названо "обобществлением" электронов, т.е. утратой некоторыми электронами связи с индивидуальными атомами".

Френкель

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ: При попадании снаряда с сердечником из вольфрама или обедненного урана в броню на крохотном участке создавалось высокое давление, которое ее разрушало. При скорости снаряда более 1200 м/с и его резком торможении, свободные электроны по инерции покидают его, и происходит взрыв материала сердечника. Найдите ошибку в этих объяснениях. (На самом деле дополнительная энергия выделяется при сгорании урана).

Движение свободных электронов в металле (ионы и свободные электроны). Движение свободных электронов напоминает рой танцующих комаров. Электронный газ. Тепловое движение электронного газа:

Электрическое поле внутри металлического проводника. Движение элек­тронов (перескакивание от иона к иону) в металле (дрейф - от английского – drift, снос судна). Аналогия с падением снежинок (их падение в среднем равномерное) или с перемещением роя комаров под действием слабого ветра. Оторвавшись от атома, электрон перескакивает к другому иону и, взаимодействуя с ним, теряет энергию. Некоторые электроны перескакивают несколько атомов или взаимодействуют с ионами примеси, что также приводит к выделению тепла. В современной теории (квантовая физика) движение электронов в решетке описывается как распространение волны, которая рассеивается на дефектах решетки.

Если на концах телеграфного, провода, например в Новосибирске, изме­нить напряжение на 10 В, то наблюдатель в Новокузнецке заметит изме­нение тока через 0,002 с, однако те свободные электроны, которые в данный момент находятся в Новосибирске, переместятся в Новокузнецк через 100000 лет (аналогия с нефтепроводом).

Термоэлектричество. Демонстрация термопары и термостолбика. Объясне­ние этого явления. Термопара - новый источник электрического тока: ε = К· (Т₂- Т₁), где T₂ – T₁ - разность температур спаев термопары.

Работа выхода (А_вых) - минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из металла.

IV. Демонстрация фрагмента кинофильма.

Задачи:

1. По медному проводнику диаметром 3,2 мм течет ток силой 5 А. Определите: а) скорость дрейфа свободных электронов; б) среднеквадратичную скорость электронов в предположении, что они ведут себя подобно частицам идеального газа при 20°С. Считать, что на каждый атом меди приходится один свободный электрон. (В действительности скорость свободных электронов при 20⁰С для меди около 1,6·10⁶ м/с, но об этом мы поговорим подробнее на следующем уроке).

2. Какова температура печи, если помещенная в нее термопара железо-константан (К = 0,05 мВ/К) дает на гальванометре чувствительностью10^-7 А/дел и сопротивлением 1 кОм отклонение на 200 делений? Второй спай термопары погружен в тающий лед.

3. Через два последовательно соединенных проводника с одинаковым сечением S, но разными удельными сопротивлениями течет ток I. Определите напряженность электрического поля в каждом проводнике и электрический заряд, возникающий на границе раздела проводников.

V. §§ 67-68 Упр. 12, № 1-2

1. Снимите вольтамперную характеристику термоэлектрической батареи.

2. Исследуйте зависимость полезной мощности и КПД термоэлектрических батарей от сопротивления нагрузки.

3. Спроектируйте и изготовьте термоэлектрическую батарею.

4. Постройте график зависимости удельного сопротивления вольфрамовой проволоки от температуры по данным справочника.

"Перемещение электричества в металлических проводниках осуществляется с помощью обобществленных электронов. Каждый атом легко может отдать (и отдает) нужный ему электрон, так же как и принять одновременно нужный ему электрон от своего соседа".

Френкель

Урок 44/26. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ ЗАКОНА ОМА.

ЦЕЛЬ УРОКА: Обосновать справедливость закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.

ТИП УРОКА: комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: прибор для демонстрации зависимости сопротивления металлов от температуры, выпрямитель ВС-24, кинофильм "Сверхпроводи­мость", обобщающая таблица "Электрический ток в металлах".

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 20 мин

4. Закрепление 10 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный: 1. Электрическая проводимость различных веществ.

2. Электрический ток в металлах.

Задачи:

1. Какова скорость дрейфа электронов в медном проводе диа­метром 4 мм, по которому к стартеру грузовика подводится ток в 100 А?

2. Через два медных проводника, соединенных последовательно, проходит ток. Сравните дрейфовые скорости электронов в проводниках, если диаметр второго проводника в два раза меньше, чем первого.

3. В эксперименте, аналогичном опыту Толмена и Стюарта, катушка диаметром 500 мм имела 400 витков медной проволоки. Через скользящие контакты катушка присоединялась к баллистическому гальванометру. Общее сопротивление катушки, гальванометра и соединительных проводов 50 Ом. Катушка приводилась в равномерное вращение с частотой обра­щения 100 об/с, а затем резко затормаживалась. При этом через галь­ванометр проходил заряд 11 нКл. Определить величину удельного заряда носителей тока в меди.

Вопросы:

1. Пусть у двух незаряженных пластин из разнородных металлов концентрация свободных электронов одинакова. Какая пластина наэлектризуется отрицательно, если их привести в соприкосновение?

2. В металлической трубе переменного сечения движется электрон. Изменится ли его скорость при прохождении сужения?

3. При комнатной температуре электроны в металле движутся, как и под действием напряжения 0,04 В. Так ли это?

4. Прокомментируйте выражение: «Даже если проводник не включен в цепь с внешней ЭДС, мгновенное значение протекающего через него тока не равно нулю» (тепловой шум).

5. Когда в 1854 году появился проект подводного телефонного кабеля, королевский астроном Дж. Бидделл заявил: «Это предприятие обречено на неудачу, так как огромное давление воды просто выдавит электричество из кабеля!» Почему этого не произошло?

6. Явление Пельтье состоит в том, что в месте контакта двух разнородных проводников в зависимости от направления тока происходит выделение или поглощение тепла. Почему?

III. Применим классическую электронную теорию для вывода закона Ома. "Уберем" тепловое движение электронов в металле. Сила, действующая на электрон со стороны электрического поля: и его ускорение . Торможение электрона при его взаимодействии с ионом кристаллической решетки. График скорости электрона и средняя приобретенная электроном скорость: , где - средний промежуток времени, в течение которого электрон движется без соударения.

Тогда , где Дрейфовая скорость электронов:

Закон Ома: , где . - длина свободного пробега электрона.

Границы применимости закона Ома:

· «, иначе уменьшается и сопротивление увеличивается.

· «, иначе возникают звуковые волны и сопротивление увели­чивается.

· Т = пост, иначе с увеличением температуры уменьшается, и удельное сопротивление металлического проводника увеличивается.

Удельное сопротивление металлического проводника с точки зрения электронных представлений: На самом деле: . Экспериментальная зависимость сопротивления металлов от температуры: ~ Т. Классическая теория проводимости металлов не смогла объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов (рассеяние волн де Бройля на дефектах решетки: ~ ), величину удельной теплоемкости металлов 3R (электроны практически не вносят вклад в удельную теплоемкость). Если допустить, что электрическое сопротивление металла обусловлено столкновением свободных электронов с ионами, то электрическое сопротивление окажется в тысячи раз больше экспериментального. Следовательно, электроны – волны, которые огибают ионы, рассеиваясь на тепловых колебаниях решетки и на дефектах решетки.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ: Квантовая теория электропроводности металлов (качественно). Конден­сация металлического лития. Выделение энергии при конденсации (удельная теплота парообразования и конденсации). Уровни энергии атома лития. Расщепление уровней энергии при объединении нейтральных атомов металла в кусок (аналогия с колебаниями двух нитяных маятников, связанных легкой пружиной). Зона проводимости. Распределе­ние электронов в зоне проводимости (их суммарная энергия меньше, чем сумма энергий того же количества электронов на том же уровне в свободном состоянии). Энергия Ферми. Почему жидкий гелий - изолятор?

Сверхпроводимость - свойство вещества пропускать электрический ток, не оказывая ему ни малейшего сопротивления.

Явление сверхпроводимости открыто Камерлинг - Оннесом в 1911 г. Он вовсе не искал "сверхпроводимость", а пытался выяснить, сколь малым можно сделать остаточное сопротивление, очищая образец от примесей.

"Чем дальше эксперимент от теории, тем ближе он к Нобелевской премии".

Ф. Жолио - Кюри

Из всех необычных явлений, происходящих при низких температурах - сверхпроводимость:

· наиболее яркое явление и захватывающее (электрические токи могут устойчиво циркулировать в металлических кольцах более 100000 лет);

· наиболее практически полезное (становится возможным изготовление сверхпроводящих магнитов, тепловых реле, а также компактных, быстро­действующих и не расходующих мощности компьютеров);

· наиболее интересное и интригующее для физиков-теоретиков, которое не удалось объяснить в течение 46 лет после его открытия.

Качественное объяснение явления сверхпроводимости на основе квантовых представлений.

Дополнительная информация: Частицы со спином /2 (фермионы) взаимо­действуют со всеми препятствиями на своем пути (сопротивление, кван­товые переходы). Бозоны со спином наоборот стремятся перейти в одно квантовое состояние и препятствуют их выводу из этого состояния (сверхпроводимость, сверхтекучесть). Электрон (фермион) деформирует решету и суммарный заряд области становится больше е, поэтому в эту область втягивается другой электрон с антипараллельным спином и образуется куперовская пара (бозон). Модель: два заряженных одноименно шарика отталкиваются на гладком столе и притягиваются на резиновой пленке. Бозоны не взаимодействуют с ионами решетки, поскольку для этого необходимо перевести в возбужденное состояние весь коллектив, для чего требуется значительная энергия.

Вопрос: Почему переход веществ в сверхпроводящее состояние уменьшает силу трения между ними почти в три раза?

IV. Демонстрация фрагмента кинофильма.

Задачи:

1. Металлический круг радиусом R вращается вокруг своей оси с угловой скоростью . Определите показания вольтметра, соединенного с контактами, один из которых касается круга в центре, а другой - у края. Сопротивление вольтметра считать очень большим.

2. На баллоне электрической лампы написано: 220 В, 100 Вт. Для изме­рения сопротивления нити накала в холодном состоянии на лампу подали напряжение 2 В, при этом сила тока была 54 мА. Оценить температуру нити накала лампы в рабочем состоянии.

3. Оцените, какую мощность имеет 100-ваттная электрическая лампа накаливания в начальный момент ее включения в осветительную сеть напряжением 220 В, если рабочая температура нити накаливания составляет 2700⁰С, а температурный коэффициент сопротивления вольфрамовой нити накала 0,004 Ом/⁰С.

V. §§ 69,70 Упр. № 3

1. Проведите и опишите эксперимент по выяснению зависимости сопротивле­ния металлического проводника от температуры, используя кусочек спирали от перегоревшей лампы накаливания, батарейку и лампочку от карманного фонаря.

2. Составить обобщающую таблицу "Электрический ток в металлах", исполь­зуя рисунки, чертежи и текстовый материал.

"Изобретение правдоподобных гипотез, не связанных с опытными исследованиями, может принести весьма малую пользу для познания природы..."

Т. Юнг

Урок 45/27. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ

ЦЕЛЬ УРОКА: Выяснить с учащимися природу электрического тока в электролитах и показать технические применения электролиза.

ТИП УРОКА: комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: ванна электролитическая, выпрямитель ВС-24, раствор медного купороса, поваренная соль, модель электролизера, диафильм "Химия и электрический ток", кинофильм "Электрический ток в различных средах".

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 20 мин

4. Закрепление 10 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный: 1. Молекулярно-кинетическое объяснение закона Ома.

2. Зависимость сопротивления металлов от температуры. 3. Сверхпроводимость.

Задачи:

1. Найти скорость упорядоченного движения электронов в медном проводе сечением 2,5 мм² при силе тока 50 А, считая что на каждый атом меди приходится один электрон проводимости.

2. Номинальное напряжение лампочки накаливания, вольтамперная характеристика которой приведена на рисунке, равно 3,5 В. Лампочка подключена последовательно с резистором сопротивле­нием 10 Ом к источнику тока с ЭДС 5 В, внутренним сопротивлением которого можно пренебречь. Найти ток в лампе и напряжение на ней.

Вопросы:

1. По классической электронной теории сопротивление металла прямо пропорционально корню квадратному из их абсолютной температуры. Какие явления противоречат этому выводу?

2. Почему пусковой ток в лампе накаливания больше рабочего?

3. Лампу, рассчитанную на напряжение 220 В, включили в сеть с напря­жением 110 В. Во сколько раз уменьшится потребляемая ею мощность?

4. Почему лампочка от карманного фонаря не перегорает при включении её последовательно с горящей лампой накаливания в городскую осветительную сеть?

5. Почему нить накаливания обычно перегорает при включении лампочки, а не после многочасового горения, когда, казалось бы, эта нить сильнее всего нагрета (назовите хотя бы три причины)?

6. Как вы думаете, почему зависимость сопротивления металла от тем­пературы очень слабо проявляется в сплавах?

7. Чем отличаются свойства «электронного газа» в металле от свойств идеального газа?

8. Почему серебро и медь, при их охлаждении до низких температур, не становятся сверхпроводниками?

9. В чем, по вашему мнению, суть теории "нелинейного" мышления Л.И. Мандельштама?

III. Жидкости - проводники, диэлектрики и полупроводники. Жидкости-проводники: расплавы металлов, электролиты. Демонстрация электропроводности дистиллированной воды и сухой поваренной соли. Демонстрация электропроводности раствора поваренной соли в воде. Почему соль не проводит электрический ток, а ее водный раствор про­водит? Распад молекул поваренной соли на ионы /моделирование на маг­нитной доске/. Ион - атом, имеющий недостаток или избыток электронов. Вода ослабляет электростатическое взаимодействие между ионами моле­кула соли в 81 раз!

Электролитическая диссоциация - распад молекул электролита на ионы под влиянием электрического поля молекул растворителя. Рекомбинация.

Вода, нагретая до 2000 К, распадается на ионы водорода и кислорода. Перед сжиганием каменный уголь часто смачивают водой. Почему?

Вывод: Носителями свободного заряда в электролитах являются положи­тельно заряженные и отрицательно заряженные ионы.

Движение ионов в электрическом поле (моделирование на магнитной доске). Катод и анод. Окислительно-восстановительные реакции на электродах. Перенос элементарного заряда через электролитическую ванну предполагает окисление отрицательного однозарядного иона на аноде и восстановление положительного однозарядного иона на катоде. Как и в металлах ~ Е → ~ Е, где - подвижность ионов. Поскольку , а , то → . Обсудить, почему у электролитов с повышением температуры удельное сопротивление уменьшается. Вольтамперная характеристика электролита. По ГОСТу проводимость питьевой воды не больше 5·10^-6 Ом^-1м^-1.

Электролиз - процесс выделения на электродах в свободном виде веществ, входящих в состав электролита.

Технические применения электролиза: рафинирование металлов (демон­страция модели электролизера), никелирование, гальванопластика, гальваностегия. Электрополировка цветных металлов /демонстрация/. В качестве электролита использовать 60-80% водный раствор ортофосфорной кислоты, в качестве катода - свинец, в качестве анода - латунь.

В 1876 г за открытие периодического закона химических элементов, высоко оценивая вклад ученого в мировую науку, 1-ый физико-химический съезд наградил Д.И. Менделеева драгоценным кубком из... алюминия. Почему в наше время алюминий перестал быть драгоценным металлом?

IV. Демонстрация фрагмента кинофильма "Электрический ток в различных средах".

Вопросы:

1. Почему безводная серная кислота может храниться даже в железной посуде, а разведенная - только в стеклянной посуде?

2. Почему опасно выкручивать из патрона лампочку накаливания мокры­ми руками?

3. До каких пор будет продолжаться электролиз медного купороса, если взять угольные электроды; медные электроды?

4. Почему повышение температуры и влажности воздуха уменьшает электрическое сопротивление тела человека?

5. Электролиты проводят электрический ток. Почему же электролитические конденсаторы не проводят ток?

6. К электродам, погруженным в слабый раствор поваренной соли, под­вели постоянное напряжение. Как будет меняться сила тока, проходящего через раствор, если в него постепенно подсыпать соль?

V. § 79

1. Проведите и опишите эксперимент по выяснению зависимости сопротив­ления электролита от температуры, используя водный раствор соли, батарейку и лампочку от карманного фонаря.

2. Предложите способ рафинирования меди с помощью удаления примесей. Влияет ли магнитное поле на скорость электролиза?

3. Если какая-либо кислота подвергается электролизу при алюминиевом аноде, то выделяющийся на аноде кислород окисляет алюминий, образуя на поверхности тончайшую стеклообразную пленку, обладающую высокой механической и диэлектрической прочностью (анодирование алюминия). Получите пленку и изучите ее свойства.

4. Полярность немаркированного источника постоянного напряжения можно определить с помощью сырой картошки. Сделайте это и объясните суть метода.

5. Построить график зависимости силы тока, протекающего через раствор медного купороса, в зависимости от напряжения на электродах. Иссле­дуйте поведение кривых при различных концентрациях раствора.

"Количество вещества, находящегося на токопроводящих пластинках (электродах), погруженных в жидкость, зависит от силы тока и времени его прохождения".

Фарадей

Урок 46/28 ЗАКОН ЭЛЕКТРОЛИЗА

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учащихся с законами электролиза и научить применять их в конкретных ситуациях.

ТИП УРОКА: комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: электролитическая ванна с принадлежностями, блок питания, обобщающая таблица "Электрический ток в жидкостях".

ПЛАН УРОКА: 1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 20 мин

4. Закрепление 10 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный: 1. Электрический ток в электролитах. 2. Электролиз и его техническое применение.

Задача:

1. Стеклянная трубка длиной 40 см и площадью поперечного сечения канала 100 мм² наполнена 10% раствором серной кислоты. Найдите сопротивление раствора.

Вопросы:

1. Как определить знаки полюсов аккумуляторной батареи, если в вашем распоряжении имеется лишь два провода и стакан с водой?

2. Диссоциация молекул при растворении в воде кристаллов поваренной соли ведет к росту потенциальной энергии взаимодействия ионов. За счет чего это происходит?

3. Дэви впервые выделил элемент калий, пропуская электрический ток через твердый электролит - едкое кали (КОН). Почему это ему удалось?

4. Почему в электролитах не наблюдается эффект Холла?

5. Почему дуя на раскаленный уголь, мы увеличиваем скорость его сгорания?

III. Электрический ток в электролитах. Окислительно-восстановительные реакции на электродах. Пара одновалентных ионов переносит через электролит заряд q₀ = е, двухвалентных 2е, в общем случае q₀ = Zе. Металл всегда выделяется на катоде!

Законы электролиза (1833 г.):

· Масса вещества, выделившегося на электроде при электролизе прямо пропорциональна произведению силы тока и времени его протекания: m = kIt.

· Отношение электрохимического эквивалента данного вещества к его химическому эквиваленту есть величина постоянная: , где F = 96485 Кл/моль.

Постоянная Фарадея F имеет смысл «заряд одного моля элементарных зарядов». Измерение опытным путем постоянной Фарадея позволило в 1874 г. впервые получить числовую оценку элементарного заряда.

Химические источники тока. При погружении, например, цинкового электрода в воду (в водный раствор соли цинка или серной кислоты) под действием полярных молекул воды ионы цинка начнут переходить из цинка в воду. Вода (раствор) при этом заряжается положительно, а цинк – отрицательно. Медный электрод при погружении в раствор медного купороса наоборот заряжается положительно. Два электрода из разных металлов образуют гальваническую пару. В элементе Вольта потенциал цинкового электрода -0,763 В, медного +0,337 В, ЭДС элемента 1,1 В.

Свинцовые (кислотные) аккумуляторы. Электроды аккумулятора изготавливаются из двух решетчатых свинцовых пластин, заполненных пастой из окиси свинца PbO. В аккумулятор заливают 30% -ный раствор серной кислоты с плотностью 1,2 г/см³. На поверхностях пластин образуется слой сернокислого свинца PbSO₄. При зарядке на аноде аккумулятора отрицательные ионы SO нейтрализуются и при соединении с сернокислым цинком и водой образуют перекись свинца: PbSO₄ + SO₄ = 2H₂O = PbO₂ + 2H₂SO₄. Положительные ионы H⁺ движутся к катоду и нейтрализуются на нем: PbSO₄ + 2H = Pb + SO₄. В процессе зарядки образуется гальваническая пара, а в растворе повышается концентрация серной кислоты.

Измерение заряда одновалентного иона (подготовка к лабораторной работе).

Обобщающее повторение по таблице "Электрический ток в жидкостях".

IV. Задачи:

1. При проведении опыта по определению электрохимического эквивалента меди были получены следующие данные: время прохождения тока 20 мин, сила тока 0,5 А, масса катода до опыта 70,4 г, после опыта 70,58 г. Какое значение электрохимического эквивалента и элементарного электрического заряда были получены по данным опыта?

2. Сколько электроэнергии надо затратить для получения 2,5 л водорода при температуре 27⁰С и давлении 100 кПа, если электролиз ведется при напряжении 5 В и КПД установки 75%?

3. При получении алюминия электролизом раствора в расплавлен­ном криолите проходил ток 20 кА при напряжении на электродах 5 В. Найдите время, в течение которого будет выделено 1 т алюминия. Сколько электрической энергии будет при этом затрачено?

4. Какой заряд нужно пропустить через электролитическую ванну с подкисленной водой, чтобы получить 1 дм³ гремучего газа при темпера­туре 27⁰С и давлении 10⁵ Па? (На аноде 4 ОН → 2H₂O + О₂)

Поражение электрическим током (биологический аспект).

"Не всякий ток убивает, но всякий ток может убить/"

Еллинек

Фактор внимания при поражении электрическим током.

"С тем, кто находится в состоянии сосредоточенного внимания, обыкно­венно ничего не случается... Он противопоставляет свое внимание, как щит, страшному моменту, который может произойти".

Еллинек

"Человек, ум которого подготовлен, стоит двоих".

Английская пословица

V. § 80 Упр. 12 № 4-6

1. Положив в основу химическое действие электрического тока, предложите конструкцию и рассчитайте параметры амперметра.

"Теория порождала измерения, и измерения подтверждали теорию".

Э. Роджерс

Урок 47/29. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА: «ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ЭКВИВАЛЕНТА МЕДИ И ЗАРЯДА ОДНОВАЛЕНТНОГО ИОНА».

ЦЕЛЬ УРОКА: Научить учеников измерять электрохимический эквивалент и заряд одновалентного иона. Показать, что электрический заряд квантуется.

ТИП УРОКА: лабораторная работа.

ОБОРУДОВАНИЕ: Электролитическая ванна, амперметр лабораторный, секундомер, сосуд с раствором медного купороса, реостат, соедини­тельные провода, источник тока, ключ.

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Краткий инструктаж 5 мин

3. Выполнение работы 35 мин

4. Задание на дом 2-3 мин

II. Каким образом можно измерить электрохимический эквивалент вещества? Какие приборы для этого необходимы? Нарисуйте электрическую схему подключения электролитической ванны к источнику тока.

Как измерить массу меди, выделившуюся на катоде? Как рассчитать заряд одновалентного иона?

Предложите форму отчетной таблицы для записи результатов измерений и конечного результата.

Как оценить погрешность результата измерения?

- Вы оценили заряд электрона?

- Да.

- Ну и какая оценка?

- Удовлетворительная.

ХОД РАБОТЫ:

№	I,А	t,с	m1	m2	m,кг	k,кг/Кл	e,Кл
1.

III. Выполнение работы.

IV. Упр. 12 № 7

1. Приведите наибольшее количество примеров технического применения электролиза (полезного и вредного проявлений электролиза).

2. Постройте график зависимости удельного сопротивления раствора соды в воде от массы растворенной соды.

Дополнительная информация: В 1 км³ морской воды содержится: 27 ·10⁶ поваренной соли, 1,3 ·10⁶ т магния, 0,9 ·10⁶ т серы, 65 ·10³ т брома, 20 - 50 кг золота.

"Пора бы знать, что в мирозданье

Куда не обратись - вопрос".

Шекспир

Урок 48/30. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ

ЦЕЛЬ УРОКА: Выяснить с учащимися природу носителей свободного заря в газах, характер их движения при газовом разряде. Построить на основе экспериментальных данных вольтамперную характеристику газового промежутка и объяснить ее особенности.

ТИП УРОКА: комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: выпрямитель "Разряд", электрометр с принадлежностями разборный конденсатор, неоновая лампа на подставке, свеча, соедини тельные провода, к/фильм "Электрический ток в газах".

ПЛАН УРОКА: 1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 25 мин

4. Закрепление 5 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный: Измерение электрохимического эквивалента вещества и заряда одновалентного иона.

Задачи:

1. Электроды, опущенные в раствор медного купороса, соединены с источником тока, ЭДС которого 2 В и внутреннее сопротивление 0,1 Ом. Сопротивление раствора между электродами равно 0,3 Ом. Сколько меди выделится на катоде за 10 мин?

2. Реакция соединения водорода с кислородом протекает е выделением энергии: 2Н₂ + 0₂ = 2Н₂0 + 570,83 кДж. При каком наименьшем напря­жении на электродах может происходить электролиз воды?

3. Сколько времени нужно проводить электролиз подкисленной воды, чтобы полученным водородом можно было наполнить при нормальных условиях воздушный шар с подъемной силой 2000 Н. Ток при электролизе 100 А. Весом оболочки шара пренебречь.

4. При никелировании детали в течение 2 ч на ней отложился слой ни­келя толщиной 0,03 мм. Электрохимический эквивалент никеля 3·10^-7 кг/Кл. Плотность никеля 8900 кг/м³. Определите плотность тока при электролизе.

Вопросы:

1. В двух электролитических ваннах, соединенных последова­тельно, находится раствор медного купороса СuSO₄ и раствор хлористой меди СuСl₂. Одинаковое ли количество меди выделится в обеих ваннах при прохождении через них тока?

2. Для чего в гальванотехнике применяют реверсирование, то есть изменение направления тока?

3. Можно ли было бы в лабораторной работе по измерению электрохимического эквивалента меди измерить число Авогадро?

4. Каким образом явление электролиза можно использовать для создания счетчика расхода электрической энергии в сети постоянного тока?

5. Трамвайная линия питается постоянным током, причем воздушный про­вод присоединен к положительному полюсу генератора, а рельсы - к от­рицательному. Почему не наоборот?

6. Почему в помещении, где заряжают аккумуляторы, запрещено курить?

III. Проводимость газов (воздуха) в обычных условиях. Если бы воздух был проводником электрического тока, то какие явления мы бы наблюдали?

Почему не разряжается заряженный электрометр? Нагревание воздуха пламенем свечи. Разрядка электрометра в том случае, если он заряжен и положительно и отрицательно (образование в газе положительно заряженных и отрицательно заряженных частиц). Ионизация газа. Энергия ионизации атома.

Вывод: Чтобы ионизация состоялась, суммарная кинетическая энергия сталкивающихся частиц в системе отсчета их центра масс должна быть больше энергии ионизации.

Плазма – это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически совпадают. В состоянии плазмы находится около 99% вещества Вселенной!

Носители свободного заряда в газе - ионы и электроны.

Установка для исследования разряда в газе (газового разряда).

Демонстрация несамостоятельного разряда.

Вывод: Несамостоятельный разряд происходит только при вызывающем и поддерживающем ионизацию внешнем воздействии.

Увеличение напряжения между обкладками воздушного конденсатора до предела и последующее уменьшение расстояния между ними. Пробой га­зового промежутка. Самостоятельный разряд в газе продолжается и после прекращения действия ионизатора. Объяснение природы самостоя­тельного разряда в газе (моделирование на магнитной доске). Условия возникновения самостоятельного разряда в газе:

А' =

Для ионизации электронным ударом кинетическая энергия электрона перед ударом о нейтральную частицу должна быть примерно в два раз больше энергии ионизации атома (сообщить энергию и самому улететь от образовавшегося иона).

Ионизация электронным ударом и вторичная электронная эмиссия. Механическая аналогия с лавиной (цепная реакция: частицы – электроны, ионы - камни, летящие к вершине).

При какой напряженности электрического поля возникает самостоятельный разряд в воздухе? Можно ли ее измерить? Как? Вольтамперная характеристика газового промежутка.

IV. Задачи:

1. Какой наименьшей скоростью должен обладать электрон для ионизации атома неона? Энергия ионизации атомов неона 21,5 эВ.

2. Электрон проходит путь 20 см в поле напряженностью 10 МВ/м. Сколько атомов кислорода может ионизовать он на своем пути? Е_i = 13,6 эВ.

3. Аргон, находящийся между пластинами конденсатора площадью 300 см² каждая и расстоянием между ними 5 см, ионизируется внешним ионизато­ром. Найти число пар ионов, которые образуются за 1 с в аргоне объемом 1 см³, если сила тока насыщения между пластинами 4·10^-12А.

4. На неподвижный невозбужденный атом водорода налетает другой невозбужденный атом водорода. Какова должна быть минимальная кинетическая энергия налетающего атома, чтобы произошла ионизация атома? Энергия ионизации атома водорода 13,6 эВ.

5. К электростатической машине подключены соединенные параллельно лейденская банка и разрядник. Сила тока электростатической машины 10 мкА, емкость лейденской банки 10^-8Ф. Чтобы произошел искровой разряд, машина должна работать 30 с. Длительность разряда 1 мкс. Определите среднюю силу разрядного тока и напряжение зажигания искрового разряда.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ: Несамостоятельный разряд между землей и грозовым облаком (закручивание восходящего потока положительных ионов магнитным полем Земли, сжатие потока параллельных токов, образование вихря). Закручивание тайфуна пассатами по часовой стрелке в Северном полушарии и его смещение в северном направлении.

Вопросы:

1. У. Гильберт обнаружил, что пламя уничтожает электрические свойства тел, приобретенные ими при трении. Почему?

2. Почему пламя свечи отклоняется в электрическом поле?

3. Почему в пустынях, степных и горных местностях, образуются пыльные вихри?

4. Почему закручивается пламя костра? В какую сторону?

5. Где в технике используются изолирующие свойства воздуха?

6. При каких условиях протекает несамостоятельный разряд?

7. как сила тока при несамостоятельном разряде зависит от приложенного напряжения?

8. Каковы возможные причины образования ионов в воздухе (аэроионы)?

V. §§ 81-82

1. Определите энергию, которую необходимо затратить для ионизации всего водорода в атмосфере Земли.

"Чем больше мы познаем неизменные законы природы, тем все более невероятными становятся для нас чудеса".

Ч. Дарвин

Урок 50/31. ТИПЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА В ГАЗЕ

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учащихся с типами самостоятельного разряда в газе. Выяснить, как влияет степень разрежения газа и другие внешние условия на характер возникающего самостоятельного разряда.

ТИП УРОКА: комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: высоковольтный выпрямитель, насос вакуумный, трубка с двумя электродами, штатив универсальный с принадлежностями, дуго­вая лампа, кинофильм "Электрический ток в газах".

ПЛАН УРОКА: 1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 25 мин

4. Закрепление 5 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный: 1. Несамостоятельный разряд в газе. 2. Самостоятельный разряд в газе.

Задачи:

1. В атмосферном воздухе у поверхности Земли из-за радиоак­тивности почвы и ионизации космическими лучами в среднем образуется 5 пар ионов в 1 см в одну секунду. Определить ток насыщения, текущий благодаря этой естественной ионизации в плоском воздушном конденса­торе с площадью каждой обкладки 100 см² и расстоянием между обклад­ками 5 см. Определить также время разрядки конденсатора, если он первоначально был заряжен до разности потенциалов 300 В.

2. При какой напряженности поля между пластинами воздушного конден­сатора начнется самостоятельный разряд, если энергия ионизации молекул равна 2,4·10^-18 Дж, а длина свободного пробега электрона 5 мкм? Какова скорость электронов при ударе о молекулы?

3. В газоразрядной трубке (вольтамперная характеристика приведена на рисунке) напряжение насыщения 1 кВ, ток насыщения 10 мкА. Трубка с последовательно соединенным балластным резистором, имеющим сопротивление 300 МОм, подключена к источнику ЭДС 6 кВ. Какой ток установится через трубку и каково будет напряжение на трубке? Внутренним сопротивлением батареи пренебречь.

III. Каким образом можно получить самостоятельный разряд в трубке с двумя электродами? Увеличить напряжение?! Напряжение можно увели­чивать только до определенного предела.

Уменьшить расстояние между электродами? Как?!

Увеличить длину свободного пробега электрона?! Как это сделать? Уменьшить давление газа в трубке? Тлеющий разряд (демонстрация). Свечение газа в трубке и объяснение причин этого явления (рекомби­нация). Характерные особенности тлеющего разряда (темное катодное пространство).