ФизикаПроект8

1. Электрический ток в металЛах

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В
МЕТАЛЛАХ
АВЕТИСЯН МАРИЯ
КОТОВА МАРИЯ
МОРОЗ ЛЮБОВЬ
КОНСТАНТИН ГУК
МАНУШИН АРТЕМ
ГОРЛАЧЕВ ИГНАТ
ВАВИЛИН ЕГОР
10 Ф

2. Понятие и особенности

ПОНЯТИЕ И ОСОБЕННОСТИ
Электрический ток в металлах — это упорядоченное
(направленное) движение свободных электронов под
действием внешнего электрического поля.
Особенность металлических проводников состоит в том,
что заряд электричества переносят свободные
электроны. Они перемещаются в одном направлении
под влиянием внешнего электрического поля, создавая
электрический ток.

3. Проводимость тока

ПРОВОДИМОСТЬ ТОКА
Природа электрической проводимости у металлов обусловлена наличием
кристаллической решётки, в узлах которой расположены положительные ионы, а
в пространстве между ними движутся свободные электроны. Свободные
электроны не связаны с ядрами своих атомов. Отрицательный заряд всех
свободных электронов по модулю равен положительному заряду всех ионов
решетки, таким образом проводник считается электрически нейтральным .
Хорошая электропроводность металлов обусловлена высокой концентрацией
свободных электронов. Каждый атом металла, находящийся в узле
кристаллической решетки, имеет один или несколько валентных (свободных)
электронов. Валентные электроны находятся на внешней электронной оболочке и
слабо связаны с ядром, поэтому атом легко с ними расстается.

4. движение

ДВИЖЕНИЕ
Они совершают тепловое движение в различных направлениях по всему кристаллу.
Положительные ионы остаются в узлах кристаллической решетки, а пространство
между ними заполняется свободными электронами или так называемым электронным
газом.
Если металлический проводник присоединить к источнику тока и замкнуть цепь,
валентные электроны продолжают совершать хаотическое движение, но под
действием возникшего внешнего электрического поля они также начинают
перемещаться в одном направлении. Это упорядоченное течение электронного газа,
совмещенное с тепловым движением электронов, и есть электрический ток в металле.
Скорость упорядоченного движения (дрейфовая скорость) любого электрона в
проводнике не превышает 1 мм/с.

5. проводники

ПРОВОДНИКИ
Лучшей электропроводностью обладают такие металлы как: золото, медь,
серебро, хром, алюминий. Сталь и железо проводят ток хуже. Чистые металлы
всегда обладают лучшей электропроводностью, чем их сплавы, поэтому чистая
медь в электротехнике предпочтительней. Если нужно специально высокое
сопротивление, то используют вольфрам, нихром, константан.
Так как проводник нагревается при протекании по нему электрического тока, то
выделяется теплота. В 1841–1842 годах сразу два ученых независимо друг от
друга Дж. Джоуль (Англия) и Э. Х. Ленц (Россия) экспериментально доказали,
что количество выделяющейся теплоты Q прямо пропорционально квадрату
тока I2, сопротивлению проводника R и времени t, в течение которого ток
протекал по проводнику

6. Характеристики электрического сопротивления и проводимости металлов

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ И ПРОВОДИМОСТИ
МЕТАЛЛОВ
Свойство материала противостоять прохождению сквозь него тока выражается в величине
электрического сопротивления. Зависит оно от показателя удельного сопротивления металла.
Параметр возрастает по мере увеличения температуры, что обуславливает интенсивное колебание
атомов внутри кристаллической решетки и затрудняет тем самым движение заряда тока.
Обратной сопротивлению выступает величина удельной проводимости, характеризующая
способность атомов пропускать заряженные частицы тока. Проводимость тока металлов
обуславливается наличием в их атомах валентных электронов – свободных и подвижных частиц,
расположенных на внешнем слое оболочки. Чем больше свободных электронов у металла, тем
лучше его проводимость.
По характеристикам электропроводности металлы разделены на группы:
проводники – обладают высоким числом хаотично движущихся свободных электронов;
полупроводники – отличаются наличием пустых пространств в местах валентных электронов;
диэлектрики – характеризуются низким количеством свободных частиц и минимальной
электропроводностью.

7. ПРИМЕНЕНИЕ

1. Рельсотрон.
Рельсотрон — это электромагнитный ускоритель. Вместо
пороха или газа он использует силу Лоренца. Когда
гигантский ток (миллионы ампер) пускают по двум
параллельным металлическим рельсам, между ними
возникает мощное магнитное поле. Если соединить
рельсы подвижным снарядом (тоже металлическим), ток
бежит по петле: рельс → снаряд → второй рельс.
Магнитное поле выталкивает снаряд вперед с
чудовищным ускорением.
Схема работы на рисунке
Такой способ ускорения имеет ряд преимуществ:
Скорость ограничена только прочностью металла и
подводом энергии. В экспериментах снаряды разгоняли
до 8–10 км/с (для сравнения: скорость пули АК-47 — 0,7
км/с).
Стоимость выстрела рельсотрона существенно ниже
таковой для аналогичной по дальности ракеты
корабельного базирования: 25 000 долларов США против
1 000 000 долларов.

8. ПРИМЕНЕНИЕ

2. Электролитическое осаждение
Совсем недавно (8 ноября 2025) учёными был открыт способ обнаруживать отпечатки пальцев на гильзах:
Метод электролитического осаждения основан на разной электропроводности чистого металла и загрязнённой поверхности
На исследуемый предмет — например, латунную гильзу или металлическую пластину — проводят слабый электрический ток. Затем
этот предмет погружают в электролит, содержащий ионы меди, цинка или другого металла.
Потовое выделение, оставленное пальцем, представляет собой диэлектрик. Оно покрывает поверхность тонкой плёнкой в тех
местах, где к металлу прикасались гребни папиллярного узора. В промежутках между гребнями (впадинах отпечатка) металл
остаётся чистым.
Чистый металл хорошо проводит ток. В этих участках плотность тока оказывается выше, и ионы металла из раствора активно
восстанавливаются на поверхности. Там, где металл покрыт потовой плёнкой, электрический ток почти не проходит, и осаждения не
происходит.
В результате через несколько минут на участках, соответствующих впадинам между гребнями, вырастает слой меди толщиной в
несколько микрон. Участки, соответствующие самим гребням, остаются без осадка. Возникает рельефное изображение, которое
повторяет папиллярный узор и хорошо видно визуально.
Таким образом, электрический ток выполняет роль инструмента, создающего контраст между чистой и загрязнённой поверхностью
металла. Полученное изображение можно изучать под микроскопом, фотографировать и использовать в качестве доказательства.

9. ПРИМЕНЕНИЕ

Метод доказал свою эффективность: в
ходе испытаний он позволил обнаружить
отпечатки даже на гильзах, которые
хранились до 16 месяцев. Это открывает
возможность пересмотра старых
уголовных дел, где ранее не удавалось
получить такие доказательства.

10. ПРИМЕНЕНИЕ

3. Ферроэлектрическая память
В основе ферроэлектрической памяти лежит
специальный материал — цирконат-титанат свинца
(PZT). Он является сегнетоэлектриком, то есть способен
к спонтанной поляризации. В структуре этого материала
есть положительно заряженные атомы, 'запертые' в
ячейке отрицательно заряженной кристаллической
решетки, и способные смещаться относительно центра
этой ячейки. Это смещение происходит под действием
электрического поля и приводит к протеканию во
внешней цепи электрического заряда. После снятия
электрического поля ячейка остается поляризованной,
что позволяет использовать этот эффект для хранения
двоичной информации.

11. ПРИМЕНЕНИЕ

Ячейка памяти состоит из n-p-n транзистора и ферроэлектрического конденсатора. Доступ к
ячейке осуществляется через транзистор, который может изменять полярность заряда
ферроэлектрика (0 или 1)
Нули и единицы кодируются поляризацией PZT в противоположных направлениях.
Единственная проблема — считывание возможно только при изменении направления
поляризации, поскольку только так можно получить импульс тока во внешней цепи. То есть,
чтение сопряжено со стиранием ранее записанной информации, и ее необходимо сразу же
восстановить. Этот недостаток компенсируется тем, что для изменения направления
поляризации требуется очень небольшое время — порядка наносекунды. Так что запись
происходит гораздо быстрее, чем в традиционной флэш-памяти, и не требует
предварительного стирания блоков. Фактически с такой памятью можно работать точно так
же, как с оперативной, и при этом она сохраняет свое содержимое после выключения
питания.

12. ПРИМЕНЕНИЕ

4. Электрический солнечный парус
Электрический солнечный парус — это способ двигаться в космосе, не используя
ракетное топливо. В отличие от обычного паруса, который ловит свет, этот парус
отталкивается от потока заряженных частиц, постоянно летящих от Солнца — так
называемого солнечного ветра.
Конструкция паруса предельно проста. С космического аппарата выпускают десятки
тончайших металлических нитей длиной до двадцати километров каждая. Чаще всего
используют алюминий. Нити располагаются веером, напоминая спицы колеса. Общая
площадь такой системы может достигать нескольких сотен квадратных километров.
Затем нити заряжают положительным электричеством. Для этого на борту имеется
электронная пушка, которая выбрасывает отрицательные частицы, оставляя аппарат и
нити с избыточным положительным зарядом.

13. ПРИМЕНЕНИЕ

Положительно заряженные нити создают электрическое поле, и положительные ионы солнечного ветра
отталкиваются от линий этого поля. По 3 закону Ньютона, когда парус толкает летящие частицы, частицы
толкают парус в ответ. Возникает небольшая, но постоянная сила, которая разгоняет аппарат.
Главное преимущество такого двигателя — ему не нужно топливо. Солнечный ветер дует всегда, и его не
остановить. Поэтому аппарат может разгоняться годами и достигать огромных скоростей — до ста пятидесяти
километров в секунду.
Ещё одно важное свойство: электрический парус эффективен даже далеко от Солнца. Обычный световой
парус у орбиты Юпитера почти теряет силу, потому что света там мало. А вот солнечный ветер ослабевает
ненамного, поэтому электрический парус работает и у окраин Солнечной системы.
Технология уже вышла из стадии теории. Первый испытательный спутник был запущен в 2013 году. Хотя не
всё прошло гладко, принцип признан рабочим. Сейчас NASA и Европейское космическое агентство
продолжают разработки. В перспективе такой парус сможет доставить зонд к границам Солнечной системы
за десять лет вместо тридцати пяти, которые потребовались старым аппаратам.

14. ПРИМЕНЕНИЕ

15. ПРИМЕНЕНИЕ

5. Электровзрыв проводников
Электрический ток, проходя по металлическому проводнику, всегда нагревает его. Чем тоньше проводник и
чем больше ток, тем сильнее нагрев. Если ток достаточно велик, металл сначала плавится, а затем
превращается в пар. В обычных условиях это просто перегорание предохранителя. Но если создать ток
специальным образом — очень большой и очень быстро нарастающий, — процесс превращения металла в
пар становится взрывным. Это явление называют электровзрывом проводников.
Процесс. Берут тонкую металлическую проволоку — например, медную или вольфрамовую, толщиной с
человеческий волос. Подключают её к источнику электрической энергии, который способен отдать очень
большой заряд за доли микросекунды, — обычно для этого используют батареи конденсаторов. Когда цепь
замыкается, ток нарастает настолько быстро, что проволока не успевает равномерно прогреться.
Отдельные её участки перегреваются мгновенно. Металл испаряется, но пар не может сразу расшириться
— вокруг ещё твёрдый металл. Давление внутри проволоки подскакивает до миллионов атмосфер, и
происходит взрыв. Проволока перестаёт существовать; на её месте образуется облако раскалённой плазмы,
которое продолжает расширяться со скоростью несколько километров в секунду

16.

17. ПРИМЕНЕНИЕ

Применние. В лабораториях электровзрыв используют для получения сверхвысоких давлений на
очень короткое время — этот позволяет изучать, как ведут себя материалы в условиях, близких к
тем, что существуют в глубине планет. В технике электровзрывом подрывают заряды взрывчатки:
тонкая проволочка служит сверхточным детонатором, который срабатывает за микросекунды.
Такие детонаторы используют при разделении ступеней космических ракет или при подрыве
боеголовок. Этим же способом наносят тонкие покрытия: продукты взрыва металла летят во все
стороны и оседают на соседних поверхностях, образуя очень прочную плёнку.
Ещё одно применение — испытания космической техники. Чтобы проверить, выдержит ли
аппарат взрыв рядом с ним, не обязательно взрывать настоящий заряд. Достаточно пропустить
через калиброванную проволочку сильный ток. Она испаряется и даёт кратковременную вспышку
света, ударную волну и электромагнитный импульс — всё как при настоящем взрыве, но без
осколков и разрушения самой аппаратуры.

18. ПРИМЕНЕНИЕ

Физика явления. Внутри металла электрический ток переносится свободными электронами. В
обычном проводнике эти электроны сталкиваются с атомами кристаллической решётки, передавая им
энергию, — так возникает нагрев. Если ток очень большой, электронов становится так много и
движутся они так быстро, что они буквально «выбивают» атомы из их положений за время, меньшее
того, за которое атомы успевают передать нагрев соседям. Вся энергия выделяется в узком канале, не
успевая распределиться по объёму. Именно поэтому происходит взрыв, а не простое плавление и
остывание.
Только металлы обладают достаточно высокой электропроводностью, чтобы пропустить ток такой
плотности — до миллиардов ампер на квадратный сантиметр. В полупроводниках ток во много раз
слабее, а электролиты при таком токе просто вскипают мгновенно, не создавая взрывного
расширения.

19. ЭКСПЕРИМЕНТ

1) Опыт Мандельштама Папалекси
Учёные использовали катушку с большим числом витков из тонкой
металлической проволоки. Концы катушки с помощью гибких проводов
присоединяли к чувствительному баллистическому гальванометру. Катушку
сначала сильно раскручивали вокруг своей оси, а затем резко останавливали
Объяснение: если у электрона есть масса, то при торможении катушки атомы
кристаллической решётки останутся на месте, а свободные электроны по
инерции продолжат движение в прежнем направлении. Это должно привести к
появлению кратковременного тока в цепи. Эксперимент подтвердил это
предположение — после остановки катушки исследователи регистрировали
бросок тока.
видео экперимент

20. эксперимент

ЭКСПЕРИМЕНТ
2). Опыт Карла Рикке
Суть опыта заключалась в следующем:
Рикке собрал электрическую цепь из трёх металлических цилиндров, плотно прижатых друг к
другу отполированными торцами. Цилиндры были расположены в последовательности: медь —
алюминий — медь.
В течение года через эту конструкцию пропускался постоянный электрический ток одного и того
же направления.
За этот период через проводник прошёл заряд более 3,5 МКл.
После завершения опыта цилиндры взвесили. Результаты показали, что их массы не изменились.
Исследование торцевых поверхностей под микроскопом не выявило проникновения атомов
одного металла в другой.
Вывод из опыта состоял в том, что перенос заряда при прохождении тока в металлах не
сопровождается химическими процессами и переносом вещества. Носителями заряда являются
частицы, которые одинаковы для всех металлов, то есть электроны.

21. Задачи

ЗАДАЧИ

22. задачи

ЗАДАЧИ