Урок 27. В мире удивительных веществ и материалов
Предмет: Естествознание, 11 класс

Конспект урока

Естествознание, 11 класс

Урок 27. В мире удивительных веществ и материалов

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: Каковы особенности возрастающих потребностей человека в новых материалах? В чем смысл понятий «односторонняя проводимость», «ферромагнетики», «сверхпроводимость», «жидкие кристаллы»? Каковы основные свойства сверхпроводников, ферромагнетиков, жидких кристаллов? Насколько выражена необходимость получения веществ и материалов, являющихся экологически безопасными?

Глоссарий по теме:

Односторонняя проводимость – свойство полупроводника, которое проявляется в слое вещества между двумя его частями (пограничной области), обладающими различной проводимостью.

Сверхпроводимость – это квантовое явление и особое свойство веществ и материалов обладать нулевым электрическим сопротивлением при достижении определенной (критической) температуры.

Ферромагнетики представляют собой вещества (обычно находятся в аморфном или твёрдом кристаллическом состоянии), в которых ниже конкретной критической температуры (называемой точкой Кюри) формируется дальний порядок магнитных моментов ионов, атомов или электронов.

Гистерезис – это особое свойство систем, при котором мгновенный отклик систем на приложенные к ним воздействия зависит от текущего состояния систем, а само поведение системы определяется предысторией ее развития.

Жидкие кристаллы – это особое фазовое состояние, в которое при определенных условиях (температура, концентрация и т.д.) могут переходить некоторые вещества. Жидкие кристаллы обладают и свойствами жидкостей (например, вязкостью), и свойствами кристаллов (анизотропией) одновременно.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

1.	Естествознание. 11 класс: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017. – С. 89-104.

2. Сивухин Д. В. § 80. Сверхпроводники и их магнитные свойства // Общий курс физики. Т. III. Электричество. – М.: Наука, 1977. – С. 333-359.

Открытые электронные ресурсы по теме урока:

Научная статья: электронная энциклопедия // Жидкие кристаллы. URL: http://www.chemport.ru/data/chemipedia/article_1264.html.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Современный этап человеческой цивилизации – это одновременно и этап активного развития информационной техники, и, в том числе, такого направления, как нанотехнологии – технологии, в основе которых лежит упорядочивание атомной и молекулярной структуры конкретным, заданным образом. Это предопределяет открытие на современном этапе качественно новых веществ и структур с необычными химическими и физическими свойствами.

Такие вещества и технические изобретения на их основе достаточно быстро входят и в повседневную жизнь человека. Характерным примером являются диодные лампы, которые сравнительно недавно начали заменять в быту обычные лампы накаливания. Диодные лампы, в отличие от обычных ламп накаливания при сходном уровне освещенности потребляют в 5-10 раз меньше электроэнергии. При этом их утилизация безопасна для окружающей среды, в отличие от утилизации энергосберегающих ртутных ламп, содержащих опасные для организма человека и окружающей среды соединения ртути, которые при повреждении такой лампы высвобождаются в окружающую среду.

Создание диодных ламп стало возможным благодаря открытию полупроводников, которые сегодня применяются обширно в самых разных областях. Свойства полупроводников проявляются в пограничной области – очень узком слое вещества между двумя элементами полупроводника, которые обладают различной проводимостью. Этот слой называют электронно-дырочным переходом (р-n-переход). Главное свойство этого перехода – односторонняя проводимость.

В пограничном слое с одной стороны возникает положительный объемный заряд (в n-области), а с другой стороны (в р-области) – отрицательный. В приграничном узком слое полупроводника на границе раздела р- и n-областей возникают две зоны электрических зарядов – объемных и разноименных. Возникновение различно заряженных слоев частиц влечет возникновение электрического поля, которое не дает проникать электронам в р-область, ввиду чего возникает стабильное состояние слоя р-n-перехода.

При приложении к проводнику электрического напряжения р-n-переход проявляет разные свойства, в зависимости от полярности приложенного напряжения.

Именно односторонняя проводимость диода – это основное его свойство, которое определяет его применение в диодных лампах. Свойства диодов используется для преобразования переменного тока в постоянный.

Достаточно часто в современной промышленности используется и свойство сверхпроводимости отдельных видов веществ и материалов.

Сверхпроводимость – это квантовое явление и особое свойство веществ и материалов обладать нулевым электрическим сопротивлением при достижении определенной (критической) температуры.

Сегодня известны сотни соединений, которые обладают при определенных физических условиях сверхпроводимостью. Для этих веществ характерен эффект Мейснера, который состоит в полном вытеснении из объёма сверхпроводника магнитного поля.

Это свидетельствует о том, что сверхпроводимость не может описываться просто как идеальная проводимость в классическом понимании. В частности, утверждение о том, что сопротивление в сверхпроводниках нулевое справедливо лишь для постоянного тока. При помещении сверхпроводника в переменное электрическое поле сопротивление сверхпроводника уже не нулевое и растёт с ростом частоты поля.

Явление сверхпроводимости в практике применяется для получения сильных магнитных полей, так как при прохождении сильных токов по сверхпроводнику, отсутствуют тепловые потери. Вихри в сверхпроводниках используют как ячейки памяти в компьютерной технике.

Отсутствие тепловых потерь при прохождении тока через сверхпроводник делает возможным применение электрических кабелей на основе сверхпроводников для доставки электричества. Один тонкий кабель на основе сверхпроводника может передавать мощность, которая требует создания целой цепи линии электропередач с несколькими большими кабелями.

Проблемами, которые препятствуют обширному использованию в практике сверхпроводников в качестве электрических кабелей, являются высокая стоимость самих кабелей и процесса их обслуживания. Через линии сверхпроводников необходимо прокачивать жидкий азот. Первая коммерческая линия электропередач на основе сверхпроводников была создана компанией American Superconductor в Нью-Йорке и запущена в эксплуатацию в конце июня 2008 года.

Сегодня часто применяются миниатюрные приборы-кольца, основанные на системе сверхпроводников – сквиды. Сквиды являются элементами чувствительных магнитометров, которые измеряют магнитное поле Земли, и применяются в медицине, например при проведении магнитно-резонансной томографии.

В практике человеческой деятельности особое распространение получают ферромагнетики.

Ферромагнетики представляют собой вещества (которые, обычно находятся в аморфном или твёрдом кристаллическом состоянии), и в которых ниже конкретной критической температуры (называемой точкой Кюри) формируется дальний порядок магнитных моментов ионов, атомов или электронов.

То есть ферромагнетик – это такое вещество, которое (при температуре ниже точки Кюри) может обладать намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля. Магнитная восприимчивость веществ-ферромагнетиков всегда положительна и больше единицы. При сравнительно невысоких температурах ферромагнетики могут проявлять самопроизвольную (спонтанную) намагниченность, которая меняется под влиянием внешних факторов.

Ферромагнетики могут демонстрировать и явление гистерезиса. Гистерезис – это особое свойство систем, при котором мгновенный отклик систем на приложенные к ним воздействия зависит от текущего состояния систем, а само поведение системы определяется предысторией ее развития.

Достаточно важными в современной практической деятельности человека являются вещества, которые могут пребывать в состоянии жидких кристаллов.

Жидкие кристаллы – это особое фазовое состояние, в которое при определенных условиях (температура, концентрация и т.д.) могут переходить некоторые вещества. Жидкие кристаллы обладают и свойствами жидкостей (например, вязкостью), и свойствами кристаллов (анизотропией) одновременно.

Жидкие кристаллы по своей структуре – это особые вязкие жидкости, которые состоят из молекул дискообразной или вытянутой формы, конкретным образом упорядоченных в объёме жидкости. Основным свойством жидких кристаллов является способность менять в пространстве ориентацию молекул под действием электрического поля. Именно благодаря этому свойству жидкие кристаллы сегодня активно используются в промышленности.

В 1963 г. американец Джеймс Фергюсон использовал свойство жидких кристаллов – способность их изменять цвет под действием температуры – для поиска невидимых глазом тепловых полей. Это свойство жидких кристаллов используется в биолокации – например, в приборах тепловизорах, которые помещают в вертолет для отслеживания на определенной территории диких животных (так как животные излучают тепло). Именно так контролируется популяция уссурийского тигра, который сегодня находится под охраной как вид, сокращающий численность.

Однако только после 1973 г., когда группа химиков под руководством англичанина Джорджа Грея получила из дешёвого и доступного сырья жидкие кристаллы, они стали использоваться в разных устройствах.

Одно из ключевых направлений применения жидких кристаллов –термография. Жидкие кристаллы подбирают по структуре и используют, как индикаторы для разных температурных диапазонов. Например, слои жидких кристаллов наносят на интегральные схемы и платы электронных схем.

Наиболее многообещающая область использования жидкокристаллических веществ – это информационная техника. Именно на основе жидких кристаллов работают современные телевизоры и мониторы персональных компьютеров и смартфонов.

Следует отметить, что современный этап развития техники характеризуется быстрыми темпами и сегодня объективна потребность человечества в различных материалах, которые будут отвечать потребностям технического развития цивилизации.

Однако, деятельность человека оказывает достаточно серьезное деструктивное влияние на биосферу, порождая глобальные экологические проблемы. Поэтому сегодня возникает объективная необходимость в использовании повседневной жизни именно экологически безопасных материалов – то есть таких, которые не оказывают значительного влияния на биосферу.

Выводы:

Современный этап человеческой цивилизации – это этап активного развития техники, в том числе, и такого направления, как нанотехнологии – технологии, в основе которых лежит упорядочивание атомной и молекулярной структуры конкретным, заданным образом. Это предопределяет создание на современном этапе качественно новых веществ и структур с необычными химическими и физическими свойствами.

В качестве наиболее часто используемых в практике веществ и материалов, обладающих особыми свойствами, можно назвать вещества с односторонней проводимостью (диодные лампы), сверхпроводники (электрические кабели с минимум тепловых потерь), ферромагнетики (вещества обладающие магнетизмом вне электрического поля), жидкие кристаллы (оптические приборы, тепловизоры, информационная техника).

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

1. Квантовое явление и особое свойство веществ и материалов обладать нулевым электрическим сопротивлением при достижении определенной (критической) температуры это:

1) односторонняя проводимость;

2) полупроводник;

3) сверхпроводимость;

4) техника.

Правильный ответ: 3) сверхпроводимость;

2. Восстановите пропущенные слова в тексте:

«_________ представляют собой вещества (обычно находятся в аморфном или твёрдом кристаллическом состоянии), в которых ниже конкретной критической температуры (называемой точкой Кюри) формируется дальний порядок магнитных моментов ионов, атомов или электронов.

___________ – это особое свойство систем, при котором мгновенный отклик систем на приложенные к ним воздействия зависит от текущего состояния систем, а само поведение системы определяется предысторией ее развития».

Правильный вариант: ферромагнетики; гистерезис.