Урок-аукцион: «Электрический ток в средах»

Урок-аукцион: «Электрический ток в средах» ПЛАН:

1. Электрический ток в металлах.

2. Электрический ток в полупроводниках.

3. Электрический ток в вакууме.

4. Электрический ток в жидкостях.

5. Электрический ток в газах.

1. Первым на аукцион выставляю электродвигатель. Он будет считаться проданным той команде, которая даст больше сведений о нем. Ответы будут засчитаны, если они будут содержать:

1. назначение;

2. устройство;

3. прицип действия;

4. кто изобрел;

5. применение;

За каждый правильный ответ командам будет даваться карточка с символом данного прибора (или жетон). В конце торгов эти карточки будут подсчитаны и прибор получит та команда , которая соберет большее количество.

Ответы:

-в 1838 г. рус. уч .Б .С .Якоби построил первый пригодный для практического применения электродвигатель постоянного тока для привода гребного вала лодки ;

-позднее он усовершенствовал конструкцию, в таком виде он применяется и сейчас;

-в 1889 г. рус инженер М.О .Доливо -Добровольский изобрел трех фазный двигатель переменного тока ;

-основным устройством двигателя является вращающая часть — ротор и неподвижная часть-статор;

-в электродвигателе применяются проводники из различных материалов, способных проводить эл. ток ;

-принцип действия основан на преобразовании электрической энергии в механическую ;

-ток в проводниках переносится свободными электронами;

-скорость движения зависит от температуры;

-электронную проводимость доказали советские физики Д.И. Мендельштам и Н.Д. Папалекси в 1913 г.;

-в 1916 г. английские физики В. Толмен и В.Стюарт опытом : приводили катушку в движение , а затем резко тормозили , стрелка гальванометра отклонялась ( после торможения электроны продолжали движение по инерции ) , по направлению отклонения определили , что это отрицательные частицы ;

-концентрация этих частиц в металле велика — порядка 10 ²⁵ 1/м³;

-электроны в проводниках под действием эл. тока движутся со средней скоростью 10 ^-4 м/с;

-скорость рассчитывается по формуле:

-экспериментально было установлено, что с ростом температуры сопротивление проводника растет по линейному закону p = p₀ ( 1 +L t ) ;

-больше сопротивление больше нагрев тел, что надо учитывать при подборе проводников в различных электроприборах, а так же их работу при различных температурах;

-зависимость сопротивления от температуры используют в термометрах сопротивления, они могут измерять как очень низкие, так и очень высокие температуры;

-при низких температурах сопротивление падает до нуля, проводник может проводить ток без потерь на нагревание — это явление обнаружил голландский физик Г. Камерлинг — Онесс охлаждая ртуть до 4,1 К, т.е. однажды возбужденный в таком материале ток может существовать очень долго без изменений; такое явление было названо сверхпроводимостью;

—в 1957 г. сов.уч. Боголюбов, ам. уч. Бардин, Купер и Шриффер дали этому объяснение на основе квантовой теории;

—из таких материалов можно соорудить мощные магниты, использовать в УЭЧ, магнитогидродинамических генераторах;

—сверхпроводниковые двигатели вращаются с большими скоростями, меньше вибрируют, менее шумные;

—ученые работают в области сверхпроводников из керамических материалов;

—область применения электродвигателя обширна: электровозы, в магнитофонах, бытовых приборах , для привода станков , насосов , в лифтах и так далее ( можно принимать применение одно от команды и за каждое давать жетон ) .

После ответов заполняется общая таблица по строкам:

а). природа носителей — свободные электроны

б).характер движения — беспорядочное, под действием эл. тока от одного конца проводника к другому

в).вольт — амперная характеристика ( прямопропорциональная зависимость силы тока от напряжения ) объяснение этой зависимости : t , R —- V , след. по закону Ома J соотв. U

г). зависимость проводимости от температуры — с ростом температуры проводимость ухудшается

д). применение: электроприборы, генераторы, трансформаторы, линия электропередач.

2. Вторым на аукцион выставляются полупроводниковые элементы : диод, транзистор, термистор, фоторезистор.

Ответы:

—полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками

—одним из первых эти материалы начал изучать А.Ф. Иоффе, который выяснил, что нагревании или освещении их сопротивление уменьшается;

—еще он выяснил, что проводимость контактов двух проводников — односторонняя;

—у чистых полупроводников электронно-дырочная проводимость;

—есть примесные полупроводники двух типов : n- типа и р — типа ;

—полупроводники п- типа называют донорными , они обладают электронной проводимостью ;

—полупроводники р- типа называют акцепторными, они обладают дырочной проводимостью ;

—принцип действия большинство приборов основан на р-п ( п-р ) переходе ;

—при спайке двух полупроводников в месте спайке образуется диффузный слой (взаимное проникновение носителей в соседний слой);

—при соединение р- перехода с + клеммой источника тока , а п- типа —с “ —” ист.т., т.е. с основным носителями заряда, диффузный слой ссужается , R уменьшается —идет ток ;

—при обратной полярности — диффузный слой расширяется, R возрастает —ток не идет, в этом и заключается односторонняя проводимость;

—на таком принципе основана работа диода, который используется для выпрямления переменного тока (показать его обозначение в цепи );

—диод используется в радиоаппаратуре, ЭВМ;

—его достоинство — малые размеры, малая масса, длительный срок службы, высокая прочность и большой КПД;

—у диода есть и недостатки — зависит от температуры ( диапазон 70 -125 ⁰С ) ;

—диоды на природных кристаллах применил впервые нем.физик Ф.К. Браун в 1874 г. ;

—в России А.С.Попов применил их для изобретения радио;

—в 40-х годах О.В. Лосев — на германии — применение в радиолокации;

—теория выпрямления тока диодом принадлежит сов. физ. Б.И.Давыдову и Блохинцеву ;

—понятие “ дырка “ введен сов .физ. Я.И.Френкелем .

—транзистор прибор с ‘ п-р-п “ или “ р -п- р “ переходами , используется как усилитель в радиоаппаратуре ( изображение в цепи );

—изобретен в 1948 г. ам. У. Шокли и У. Браттейном;

—в основе устройства не один, а два р-п (п-р) перехода;

—на коллектор подают “ —” относительно эмиттера, на базу как “ + “, так и “ —” относительно эмиттера;

—к эмиттерному переходу приложено напряжение в пропускном режиме, а к коллектору -запирающее , при этом эмиттерный слой открывается и из эмиттера к базе переходят “ дырки “

—J _э= J _k +J_б (дырки втягиваются в коллектор);

—изменение тока в цепи базы в несколько изменяет ток в цепи коллектора (усиление может быть от 20 до 500 раз);

—транзистор применяется для усиления слабых сигналов по J и U;

—применяются в микроэлектроники, в системах связи, в автоматике;

—фоторезисторы, приборы, работающие под действием света;

—первый селеновый фоторезистор изобретен рус. физ. В.А.Ульяниным в 1888 г. ; второй —в 1924 г.;

—в 1926 г. нем.физ. Б. Гуддоном и Р. Полем ;

—промышленное производство позже;

—в 30-40 г. — кремневый фоторезистор под руководством А.Ф. Иоффе;

—в 1953-54 гг. селеновые батареи сконструированные Дж.Пирсоном Б Ф. Фунляром , Д. Ганинтом /США/, которые используются на космических кораблях и спутниках ;

—принцип действия: под действием света уменьшается сопротивление;

—используются, как аварийное выключение на станках, в метро, в дистанционном управлении телевизоров, видиомагнетофонов , световое реле для включения или выключения подачи тока в осветительной сети ( в трансформаторных будках ) ;

—термистор, изобретен сов.физ. Б.Т. Коломийцем в 1937 г. ;

—в них используется свойство изменения сопротивления от температуры;

—выпускаются в виде стержней, трубочек ,дисков , шайб и бусинок маленьких размеров ( несколько мм ) ;

—диапазон измерения температуры от 170 до 570 К /1300 К /, а также низкие температуры —4 — 80 К;

—используются для дистанционного измерения температуры , противопожарной сигнализации .

Подведение итога:

а). носители – электроны -дырки ( чистые полупроводники ) ,дырки -р типа , электроны —п типа ;

б). характер движения: электроны в одну стороны — дырки в другую ( у чистых ), у типов при совпадении знаков ;

в).вольт — амперная характеристика (график);

г).зависимость проводимости от температуры – с возрастанием температуры проводимость улучшается;

д).применение – радиоаппаратура, сигнализация, солнечные батареи и т.д.

3. Третьим на аукцион выставляется телевизор.

Ответы:

—у истоков телевидения стоял рус .уч. Б.Л. Розинг, в 1912 г. он разработал основные элементы современных черно-белых телевизоров, а именно кинескопов — основным элементом, которого является электронно-лучевая трубка

-в его трубке за 1.25 с луч пробегал 625 строк изображения, составляющий 1 кадр;

—за 1 с кадры на экране сменяются 25 раз;

—в 1907 г. он запатентовал аппарат для передачи изображения на расстоянии;

—в 1911 г. впервые в мире передал, принял и воспроизвел изображение

—учеником у него был Зворыкин, позднее иммигрирующий в США где участвовал в развитии новой ветви радиотехники ;

—в 1930 г. А.П. Константинов первым подал заявку на изобретение передающей трубки ТВ с накоплением зарядов;

—годом позже эта идея была разработана В.К.Зворыкиным и бесплатно внедрена в производство;

—электронно-лучевая трубка (основа кинескопа) относится к вакуумным приборам;

—к вакуумным приборам относится электронные лампы: вакуумный диод и триод (их обозначение в цепи);

—вакуум — сильно разряженный газ

—носителей заряда нет — нужен источник заряженных частиц — это металл, нагретый до больших температур ;

—такое явление называют термоэлектронной эмиссией;

—в 1870 г. Томас Эдисон /ам.уч.- изобретатель / обнаружил , что в вакуумной стеклянной трубке возникает эл. ток , если нагреть один из электродов до больших температур ;

—термоэлектронная эмиссия лежит в основе работы вакуумного прибора, который состоит из двух электродов (катода и анода), помещенных в вакуумную колбу, рядом с катодом помещена нить накаливания, используемая для разогрева катода;

—при соответствующем соединении К с “ —” , А с +, с катода электроны устремляются к аноду — идет ток , как у полупроводникового диода;

—вакуумный диод так же используется для выпрямления переменного тока;

—после замены вакуумных ламп полупроводниковыми элементами телевизоры значительно полегчали , повысилась их надежность, уменьшились габариты;

—вакуумный триод подобно полупроводниковому транзистору применяется для усиления сигнала;

—электронная лампа впервые была изобретена Флеменгом /ан. физ./ в 1904 г., он объяснил принцип ее действия, подчеркнув, что основным в них является электроды ( А и К );

—электронно-лучевая трубка отличается от вакуумной лампы тем, что имеет два анода, в которых просверлены отверстия, так же в ней имеется по две пары пластин для регулирования движения зарядов под действием маг. и эл. полей ;

—кроме телевизора эти приборы используются в осцилогрофах, в радиолокационных приборах, дисплеях ;

—экран кинескопа изнутри покрыт слоем кристаллов, способных светиться под действием удара о них электронов;

—под действием маг. поля можно заставить электроны двигаться направлено, т.е. рисовать картины ;

—сетка в триоде была введена в 1906 г. ам. Инж .Ли де Ферестом .

Подведение итога:

а). носители — электроны

б). характер движения — от К к А

в).вольт амперная характеристика — схожа с полупроводниками

г). зависимость проводимости от температуры- с ростом температуры проводимость улучшается

д). применение — в ЭВМ, радиоаппаратуре локации.

4. Следующим на аукцион выставляется аккумуляторная батарея.

Возможные ответы:

—аккумулятором называют устройство, предназначенное для накопления энергии с целью ее последующего использования;

—ак .батарея преобразует химическую энергию в электрическую при разрядке и наоборот -при зарядки ;

—электрические аккумуляторы состоят из положительных электродов ( А ) и отрицательных электродов ( К ), разделенные диэлектриками и погруженными в раствор электролита ( щелочной или кислотный ) ; электроды могут быть как из различных материалов так и одинаковых —это свинцовые ак. батареи ;

—ак. батареи используются на тракторах , машинах , самолетах ;

—процесс работы батареи основан на зарядке-разрядке или окислительно -восстановительной реакции

—ак. батарея характеризуется емкостью — это значение заряда , который может дать батарея при разрядке , измеряется в А ч ;

—в принципе работы батареи лежит эдектролетическая диссоция

—при растворении электролитов под влиянием эл. поля полярные молекулы распадаются на ионы, этот распад зависит от температуры ;

—выше температура, больше положительных и отрицательных ионов, которые и являются носителями зарядов;

—+ ионы к катоду, а “ —” ионы к аноду, при этом происходит перенос вещества , т.е. на электродах выделяется вещество , входящее в состав электролита —этот процесс называется электролизом ;

—закон электролиза открыл Майкл Фарадей в 1834 г.;

—в 1928 г. сов. инженер В.И.Гусев и Л.П.Рожков использовали электролиз для размерной обработки металлов взамен обточки ;

—электролиз применяется для выделения чистых химических веществ;

—для нанесения тонкого слоя различных веществ — этот процесс носит название гальваностегия;

—при больших температурах откладывается большой слой, который можно отделить, т.е. изготовить копии — такой процесс называется гальванопластикой;

—используется в электрометаллургии;

—в 18з8 г. гальванопластикой были изготовлены копи на фронтоне Большого театра, фигуры в Исаакеевском соборе Б.С. Якоби;

—в 1857 г. на Вольховском алюминиевом комбинате методом гальваностегии был получен алюминий;

—первый построил мощную эл. батарею и первым ее применил на практике русский ученый — самоучка, профессор Петербургской медико-хирургической академии В.Петров в 1802 г. ;

Подведение итога:

а). носители заряда — в водных растворах “ + “ и “ —” ионы;

б).характер движения — беспорядочное движение частиц электролита по действием тока делятся на ионы “ + “ к “ К “, а “ —” к “ А “;

в).вольт — амперная характеристика точно так же как у металлов, т.е. сила тока пропорциональна напряжению график);

г).зависимость проводимости от температуры — с t проводимость растворов возрастает;

д).применение — гальваностегия, гальванопластика, в ак. батареях.

5. Последним на аукцион выставляется электросварочный аппарат или лампа дневного света.

Предполагаемые ответы:

—в 1802 г. рус. уч .В.В.Петров открыл явление электрической дуги и только в 1880 г. соотечественники Н.Н. Бекардос и И.Г.Славянов первыми в мире применили “ дугу Петрова “ для сварки металлов ;

—иногда электрическую дугу называют “ вольтовой дугой “ или “дугой Деви “;

—Петров взял два стержня из древесного угля соединил их с полюсами батареи и сблизил, между ними возникал разряд и вспыхнул свет ;

—именно свечение поспешили использовать, так в 1876 г. П.Н.Яблочков изобрел дуговую угольную лампочку переменного тока;

—в основе работы сварочного аппарата и дуговой лампы лежит дуговой разряд, являющий одним из видов самостоятельного разряда;

—этот разряд сопровождается выделением большой энергии, происходит нагрев до температуры порядка 4000 — 7000 К на положительном электроде (А) вследствие термоэлектронной эмиссии и ударной лавины электронов;

—при этом идет сильное световое ультрафиолетовое излучение, поэтому смотреть на дугу без защитного стекла нельзя;

—электросварочный аппарат используют для сварки различных металлов;

—эл. дуга применяется в прожекторах, киноаппаратах, лампах ультрафиолетового излучения;

—в лампе дневного света используется другой вид самостоятельного разряда — тлеющий;

—в 30 годах ХХ века появились газоразрядные источники тока;

—первые ртутные лампы дневного света в нашей стране появились в 1924 г., натриевые — в 1935 г.;

—лампы состоят из стеклянных трубок, заполненных каким- либо газом, по краям этой трубки размещены электроды ( А и К ) , при больших разностях потенциала в газоразрядной трубке образуется светящийся столб за счет движения “ —” ионов и электронов к А , а + ионов к К , при этом происходит ударная ионизация -выбиваются ионы , т.е. вторичная ионизация , часть ионов рекомбинируется в результате чего высвобождается энергия -появляется свечение;

—цвета свечения в газоразрядной трубке зависит от того, каким газом наполнена трубка;

—применяются в качестве светильников, рекламных трубок, в газовых лазерах;

—в природе примером такого разряда служит северное сияние;

—есть и другие виды самостоятельного разряда — это искровой и коронный;

—примером искрового разряда — молния, а так же свеча зажигания смеси в ДВС;

—коронный разряд возникает в неоднородных эл. полях между острием и плоскостью ( в линиях электропередачи, на мачтах кораблей, на остриях

—причиной несамостоятельного разряда в газах является внешние воздействия ( огонь, рентгеновские лучи и т.п. ), а причиной самостоятельного разряда является само эл. поле, при этом электрону надо сообщить кинетическую энергию не меньшую работы выхода электрона из атома ( W_r=Е g l ).

Подведение итога:

а).носители зарядов —” + “ и “ —” ионы, а также электроны ;

б). характер движения —беспорядочное движение под действием эл. поля сталкиваются , ионизируются : “ + “ к К , а “—” и электроны к А;

в). вольт — амперная характеристика (привести график);

г). принцип действия — термоэлектронная эмиссия, ударная лавина — ионизация газа;

д). применение самостоятельного разряда — сварка, прожектора, рекламные трубки, лампы дневного света лазерные установки , свечи зажигания и др.

Можно уделить внимание плазме, т.к. в дуговом разряде светящийся столб — это и есть плазма.