Носители зарядаСамыми хорошими проводниками электрического тока
являются металлы. Металлы являются проводниками как в
твёрдом, так и в жидком состоянии. При прохождении
электрического тока через металлические проводники не
изменяются ни их масса, ни их химический состав. Следовательно,
атомы металлов не участвуют в переносе электрических
зарядов. Исследования природы электрического тока в металлах
показали, что перенос электрических зарядов в них
осуществляется только электронами.
Процесс образования носителей зарядов
Всем металлам присущи такие характеристики, как:малое количество электронов на внешнем энергетическом уровне
(кроме некоторых исключений, у которых их может быть 6,7 и 8);
большой атомный радиус;
низкая энергия ионизации.
Все это способствует легкому отделению внешних неспаренных
электронов от ядра. При этом свободных орбиталей у атома
остается очень много. Схема образования металлической связи как
раз и будет показывать перекрывание многочисленных
орбитальных ячеек разных атомов между собой, которые в
результате и формируют общее внутрикристаллическое
пространство. В него подаются электроны от каждого атома,
которые начинают свободно блуждать по разным частям решетки.
Периодически каждый из них присоединяется к иону в узле
кристалла и превращает его в атом, затем снова отсоединяется,
формируя
Законы
В классической электронной теории металлов предполагается, чтодвижение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В
этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между
собой. Классическая электронная теория качественно объясняет
законы электрического тока в металлических проводниках и
объясняет существование электрического сопротивления
металлов.
для металлов ни при каких условиях не удалось заметить отклонений
от пропорциональности между плотностью тока и напряженностью
электрического поля. Даже при плотностях тока 109 А/м2, что
значительно выше обычной плотности в миллион раз, отклонение от
закона Ома не будет превышать одного процента.
Вольт-амперная характеристика металлов.
Сила тока в проводниках по закону Ома прямопропорциональна
напряжению.
Такая
зависимость имеет место для проводников со
строго заданным сопротивлением (для
резисторов).
Но так как сопротивление металлов зависит
от температуры, то вольт-амперная
характеристика металлов не является
линейной.
Удельное сопротивление, а следовательно, и
сопротивление металлов, зависит от
температуры,
увеличиваясь
с
ее
ростом.Температурная зависимость сопротивления
проводника объясняется тем, что
1.возрастает интенсивность рассеивания
(число столкновений) носителей
2.изменяется
их
концентрация
при
нагревании проводника.
При не слишком высоких и не слишком низких температурах
зависимости удельного сопротивления и сопротивления
проводника от температуры выражаются формулами:
ρt=ρ0(1+αt),
Rt=R0(1+αt),
Тангенс угла наклона графика равен проводимости
проводника. Проводимостью называется величина,
обратная сопротивлению
где G - проводимость.
Особенности электропроводности металлов
Концентрация электронов в металлах велика 5 .1021 –5.1022 е/см3 и слабо зависит от внешних воздействий.
Почти каждый атом решетки металла освобождает
свой электрон, образуя электронный газ. (Электронный
газ – модель свободных электронов, согласно которой
часть атомных электронов может свободно перемещаться
по всему проводнику)
Электрическое поле внутри металла равно нулю, т.к.
движение электронов(смещение их к внешним
поверхностям) мгновенно компенсирует любое внешнее
поле. Дрейфовая скорость электронов мала - мм/сек,
тепловая скорость велика – тысячи км/сек.
Более 25 химических элементов - металлов при очень
низких температурах становятся сверхпроводниками. У
каждого из них своя критическая температура перехода в
состояние с нулевым сопротивлением. Самое низкое
значение ее у вольфрама - 0,012К, самое высокое у
ниобия - 9К.Вещества в сверхпроводящем состоянии
обладают необычными свойствами:
1. электрический ток в сверхпроводнике может
существовать длительное время без источника
тока;
2. внутри вещества в сверхпроводящем состоянии
нельзя создать магнитное поле:
3. магнитное поле разрушает состояние
сверхпроводимости. Сверхпроводимость -
явление, объясняемое с точки зрения квантовой
теории. Достаточно сложное его описание
выходит за рамки школьного курса физики.Широкому применению сверхпроводимости до недавнего времени
препятствовали трудности, связанные с необходимостью охлаждения до
сверхнизких температур, для чего использовался жидкий гелий. Тем не менее,
несмотря на сложность оборудования, дефицитность и дороговизну гелия, с
60-х годов XX века создаются сверхпроводящие магниты без тепловых
потерь в их обмотках, что сделало практически возможным получение
сильных магнитных полей в сравнительно больших объемах.
Сверхпроводники используются в различных измерительных приборах,
прежде всего в приборах для измерения очень слабых магнитных полей с
высочайшей точностью.
В настоящее время в линиях электропередачи на преодоление сопротивления
проводов уходит 10 - 15% энергии. Сверхпроводящие линии или хотя бы вводы
в крупные города принесут громадную экономию. Другая область применения
сверхпроводимости - транспорт.
В настоящее время созданы керамические материалы, обладающие
сверхпроводимостью при более высокой температуре - свыше 100К, то есть
при температуре выше температуры кипения азота. Возможность охлаждать
сверхпроводники жидким азотом, который имеет на порядок более высокую
теплоту парообразования, существенно упрощает и удешевляет все
криогенное оборудование, обещает огромный экономический эффект.
10.
Техническое применение электрического тока вметаллах:
обмотки двигателей, трансформаторов,
генераторов, проводка внутри зданий, сети
электропередачи, силовые кабели.
Закалка металлов током высокой частоты
Резка и сварка металлов электродами
Носителями свободного заряда в металлах являются электроны. Эти электроны участвуют в хаотическом тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью порядка (см. § 56).
Экспериментальное доказательство существования свободных электронов в металлах. Экспериментальное доказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов, было дано в опытах Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (в 1913 г.), Стюартом и Толменом (в 1916 г.).
Схема этих опытов такова. На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга (рис. 165). К концам дисков при помощи скользящих контактов присоединяют гальванометр.
Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы будут некоторое время двигаться относительно проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникнет электрический ток. Ток будет длиться небольшое время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается.
Наблюдения показали, что в цепи после остановки катушки некоторое время существует ток. Направление его говорит о том, что он создается движением отрицательно заряженных частиц. Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т. е. Поэтому, измеряя
заряд, проходящий через гальванометр за все время существования тока в цепи, удалось определить отношение Оно оказалось равным Эта величина совпадает с отношением заряда к массе для электрона, найденным ранее из других опытов.
Движение электронов в металле. Электроны под влиянием постоянной силы, действующей на них со стороны электрического поля, приобретают определенную скорость упорядоченного движения. Эта скорость не увеличивается в дальнейшем со временем, так как со стороны ионов сталлической решетки на электроны действует некоторая тормозящая сила. Эта сила подобна силе сопротивления, действующей на камень, когда он тонет в воде. В результате средняя скорость упорядоченного движения электронов пропорциональна напряженности электрического поля в проводнике , следовательно, разности потенциалов на концах проводника, так как где - длина проводника.
Мы знаем, что сила тока в проводнике пропорциональна скорости упорядоченного движения частиц (см. формулу 9.2). Поэтому можем сказать, что сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.
Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно. Дело в том, что условия движения электронов в металле таковы, что классическая механика Ньютона неприменима для описания этого движения. Наиболее наглядно это видно из следующего примера. Если экспериментально определить среднюю кинетическую энергию теплового движения электронов в металле при комнатной температуре и найти соответствующую этой энергии температуру по формуле то получится температура порядка Такая температура существует внутри звезд. Движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики (законы классической механики Ньютона в этом случае неприменимы).
1. Перечислите вещества, являющиеся хорошими проводниками электрического тока. 2. Катушка в опыте, изображенном на рисунке 165, вращалась по часовой стрелке, а затем была резко заторможена. Определите направление электрического тока в катушке в момент торможения.
3. Как скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике зависит от напряжения на концах проводника?
Носители тока в металлах – свободные электроны (электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки). Это представление основывается на электронной теории проводимости металлов, а также на ряде опытов, подтверждающих ее положения.
Опыт Рикке
Электрический ток пропускался в течение года через три последовательно соединенных с тщательно отшлифованными торцами цилиндра (медь, алюминий, медь) одинакового радиуса. В результате, никаких, даже микроскопических следов переноса вещества не обнаружилось: следовательно, ионы в металлах не участвуют в переносе электричества, а перенос заряда в металлах осуществляется частицами, которые являются общими для всех металлов. Такими частицами могли быть открытые Д. Томсоном (1897 г) электроны.
Опыты Стюарта и Толмена
(идея Мандельштама и Папалекси)
Катушка с большим числом витков, замкнутая на чувствительный гальванометр, приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси, а затем резко тормозилась.
Если в металле имеются подвижные, слабо связанные с решеткой носители тока, то при резком торможении проводника эти частицы должны по инерции смещаться вперед, как смещаются вперед пассажиры, стоящие в вагоне при его торможении. Результатом смещения зарядов должен быть импульс тока, что и наблюдалось: по направлению тока можно определить знак носителей тока, а зная размеры и сопротивление проводника, можно вычислить удельный заряд носителей. Оказалось, что значения удельного заряда и массы носителей тока и электронов, движущихся в вакууме, совпали. Таким образом, было окончательно доказано, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.
В узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ , обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.
По теории Друде-Лоренца электроны обладают такой же энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного газа. Средняя скорость теплового движения электронов определяется по формуле
М/с(при Т=300К).
Тепловое движение электронов, являясь хаотическим, не может привести к возникновению тока. При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, т.е. возникает электрический ток. Среднюю скорость упорядоченного движения электронов можно оценить по формуле
ϳ = ne
при плотности тока ϳ =10 7 А/м 2 (допустимая для медных проводников) n = 8∙ 10 28 м -3 , = 7,8 ∙10 -4 м/с. Значит, << т.е. даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов, обуславливающего электрический ток, значительно меньше скорости их теплового движения. Поэтому при вычислениях результирующую скорость ( + ) можно заменять скоростью теплового движения .
Электромагнетизм
Магнитное поле и его характеристики
Обнаружение магнитного поля
Магнитное поле – силовое поле в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты.
Магнитное поле обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током или постоянные магниты.
Характерная особенность магнитного поля – магнитное поле создается только движущимися зарядами и действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды.
Электрическое поле создается и действует как на неподвижные, так и подвижные заряды.
Характер воздействия магнитного поля на ток зависит от формы проводника, по которому течет ток, от расположения проводника и от направления тока.
Чтобы охарактеризовать магнитное поле, надо рассмотреть его действие на определенный ток. Для исследования магнитного поля используется контур, линейные размеры которого малы по сравнению с расстоянием до токов, образующих магнитное поле. Ориентация контура в пространстве характеризуется направлением нормали к контуру. Направление нормали определяется правилом правого винта : за положительное направление нормали принимается направление поступательного движения винта, головка которого вращается в направлении тока, текущего в рамке.
Электрическая проводимость в металлах
Проектную работу выполнили ученицы 11.1 класса Клеопатрова Екатерина, Сафронова Дарья и Дадаева Лейла.
Опыты
А) немецкий физик Карл Рикке проводил опыт по пропусканию тока в 0,1 А в течении года через три отполированных цилиндра: одного алюминиевого и двух медных. По истечению эксперимента (а за это время по цепи прошел огромный заряд) никаких изменений в структуре цилиндров не произошло, за исключением небольшой диффузии. А если бы носителями заряда были не электроны, а ионы, то тогда был бы перенос вещества одного цилиндра в вещество другого, и, конечно же, в результате столь длительного эксперимента, химическое строение цилиндров изменилось бы.
 |
Б) Опыт 1912 года российских ученых Мангельштама и Папалекси, спустя небольшое время проведенный также англичанами Стюартом и Толменом. В ходе этого опыта катушка с большим количеством витков быстро вращалась, а затем резко тормозилась. В результате чего замкнутый вместе с ней в цепь гальванометр показывал наличие небольшого тока. Дело в том, что вместе с раскручиваемой катушкой вращаются, конечно же, и находящиеся в металле электроны. Когда же катушка тормозится, электроны некоторое время продолжают двигаться внутри катушки по инерции, производя таким образом ток.
Гипотеза
Электрический ток в металлах обуславливается упорядоченным движением свободных электронов. Положительно заряженные ионы не принимают участия в переносе заряда.
Носители заряда
Кристаллическая решетка металла состоит из положительных ионов, которые расположены в узлах решетки, и электронов, которые свободно передвигаются между узлами. Свободные электроны беспорядочно двигаются по кристаллу. При этом сумма положительных зарядов ионов решетки равняется суммарному отрицательному заряду свободных электронов, металл остается незаряженным, или электронейтральным.
 |
Из закона Ома для участка цепи I = U/R следует, что вольт-амперная характеристика металлов – прямая линия I0/U0 = 1/R.
R(T) и p(T)
Удельное сопротивление, а следовательно, и сопротивление металлов, зависит от температуры, увеличиваясь с ее ростом. Температурная зависимость сопротивления проводника объясняется тем, что
1. возрастает интенсивность рассеивания (число столкновений) носителей зарядов при повышении температуры;
2. изменяется их концентрация при нагревании проводника.
Зависимости удельного сопротивления и сопротивления проводника от температуры выражаются формулами:
ρt=ρ0(1+αΔT)
Rt=R0(1+αΔT)
где ρ0, ρt - удельные сопротивления вещества проводника соответственно при T0 К и T К; R0, Rt - сопротивления проводника при T0 К и T К, α - температурный коэффициент сопротивления: измеряемый в СИ в Кельвинах в минус первой степени (К^-1)
Сверхпроводимость
Явление уменьшения удельного сопротивления до нуля при температуре, отличной от абсолютного нуля, называется сверхпроводимостью
. Материалы обнаруживающие способность переходить при некоторых температурах, отличных от абсолютного нуля, в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками
.
Прохождение тока в сверхпроводнике происходит без потерь энергии, поэтому однажды возбужденный в сверхпроводящем кольце электрический ток может существовать неограниченно долго без изменения.
Применение явления сверхпроводимости в широкой практике может стать реальностью в ближайшие годы благодаря открытию в 1986 г. сверхпроводимости керамик – соединений лантана, бария, меди и кислорода. Сверхпроводимость таких керамик сохраняется до температур около 100 К.
Сверхпроводящие материалы уже используются в электромагнитах. Ведутся исследования, направленные на создание сверхпроводящих линий электропередачи.
Трудность достижения сверхпроводимости:
- необходимость сильного охлаждения вещества
Область применения:
- получение сильных магнитных полей;
- мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в ускорителях и генераторах.
В настоящий момент в энергетике существует большая проблема
- большие потери электроэнергии при передаче ее по проводам.
Возможное решение проблемы: при сверхпроводимости сопротивление проводников приблизительно равно 0 и потери энергии резко уменьшаются.
Доп. формулы и законы
´ После качественного подтверждения зависимости сопротивления от температуры была получена количественная зависимость. После ряда экспериментов было выяснено, что относительное приращение сопротивления прямо пропорционально абсолютному приращению температуры.
Так как при изменении температуры линейные размеры проводников меняются незначительно, значит, меняется удельное сопротивление, причем по такому же закону:
Применение электрического тока в металлах
Для передачи электрической энергии по металлическим проводам на линиях электропередач. Для передачи электронных импульсов в микропроцессорной технике. Для выработки тепловой энергии в электропечах различных типов (накаливания, индукционные, микроволновые, дуговые). Может использоваться как проводники для передачи электроэнергии, сердечник трансформатора для преобразования эл. энергии, трубы для предотвращения коррозии, спираль лампы для освещения, спираль ТЭНа для нагрева и другое.
