Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику не происходит переноса вещества, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.
Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов.
Идея таких опытов и первые качественные результаты принадлежат русским физикам Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси (1913 г.). В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику и выполнили количественные измерения, доказав, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.
Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов.
В 1900 году немецкий ученый П. Друде на основе гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории . Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла.
Из-за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так называемый потенциальный барьер . Высота этого барьера называется работой выхода . При обычных (комнатных) температурах у электронов не хватает энергии для преодоления потенциального барьера.
Свободные электроны движутся хаотично и при своем движении сталкиваются с ионами решетки. В результате таких столкновений устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это позволяет оценить среднюю скорость теплового движения электронов по формулам молекулярно-кинетической теории. При комнатной температуре она оказывается примерно равной 10 5 м/с.
При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток.
Средняя скорость дрейфа:
Концентрация свободных электронов в металлах примерно равна концентрации атомов n ~ 10 28 –10 29 м –3 , модуль заряда электрона e = 1,6 * 10 19 Кл. Для проводника с площадью поперечного сечения S = 1 мм 2 = 10 -6 м 2 при силе тока I = 1 A скорость упорядоченного движения электронов равна
За 1 с электроны в проводнике перемещаются за счет упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм.
Таким образом, средняя скорость упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше средней скорости их теплового движения .
Малая скорость дрейфа противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического поля со скоростью c = 3·10 8 м/с . Через время порядка l / с (l – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля и в ней начинается упорядоченное движение электронов.
В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом поле энергию и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.
Классическая электронная теория объясняет существование электрического сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля–Ленца. Однако в ряде вопросов классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом.
Например, эта теория не может объяснить, почему молярная теплоемкость металлов , также как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3R , где R – универсальная газовая постоянная (закон Дюлонга и Пти). Наличие свободных электронов не сказывается на величине теплоемкости металлов.
Классическая электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов.
Теория дает в то время как из эксперимента получается зависимость ρ ~ T
.
Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах.
Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах.
При более низких температурах порядка нескольких кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. Наибольший интерес представляет явление сверхпроводимости , открытое датским физиком Х. Каммерлинг-Оннесом в 1911 году. При некоторой определенной температуре T кр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля.
Критическая температура у ртути равна 4,1 К , у алюминия 1,2 К , у олова 3,7 К . Сверхпроводимость наблюдается не только у элементов, но и у многих химических соединений и сплавов. Например, соединение ниобия с оловом (Ni 3 Sn) имеет критическую температуру 18 К. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах. В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.
He -268.94°C, N(азот) -195,82°C, Н(водород) -252,77°C
Введение...................................................................................................... 3
1. Электрический ток в металлах
1.1. Электрическая проводимость металлов.................................... 4
1.2. Электрическая сверхпроводимость металлов.......................... 5
2. Электрический ток в электролита
2.1. Явление электролиза..................................................................... 7
2.2. Законы электролиза Фарадея....................................................... 9
3. Электрический ток в газах
3.1. Ионизация газов. Газовый разряд............................................. 13
3.2. Электрическая дуга и электрическая искра............................ 15
3.3. Электрический ток в разрежённых газах.
Катодные лучи............................................................................. 16
Список литературы................................................................................. 20
Приложение.............................................................................................. 21
Введение.
Электрическим током называют упорядоченное движение электрических зарядов. Электрический ток может возникнуть и существовать в данной среде при следующих условиях: 1) если в неё имеются свободные электрические заряды, т.е. среда является проводником; 2) если в ней создано электрическое поле.
Характер электропроводимости вещества зависит от природы свободных зарядов.
В металлах , или так называемых проводниках первого рода, свободными зарядами являются электроны, которые сорвались с внешних оболочек части атомов металла, превратив в их в положительные ионы.
В жидких растворах , или электролитах , называемых проводниками второго рода , свободными зарядами являются положительные и отрицательные ионы. К электролитам относятся, например, водные растворы солей, кислот и щелочей. Молекулы этих веществ в воде расщепляются на ионы. Ионами называются заряженные частицы, которые представляют собой атомы или группы атомов, потерявшие часть своих электронов или присоединившие к себе лишние электроны.
Газы являются проводниками третьего рода , они обладают ионно-электронной проводимостью. Газ становится проводником, когда он ионизирован , т.е. когда часть его молекул под влиянием внешних воздействий теряет электроны и в газе возникают положительные ионы и электроны.
Электрический ток в металлах.
1.1. Электрическая проводимость металлов.
В начале ХХ века немецким физиком П. Друде (1863-1906) была создана классическая электронная теория проводимости металлов, получившая дальнейшее развитие в работах голландского физика-теоретика Г.А. Лоренца (1853-1928). Её основные положения заключаются в следующем.
С точки зрения электронной теории высокая электрическая проводимость в металлах (электропроводимость металлов) объясняется наличием огромного числа носителей тока – электронов проводимости, перемещающихся по всему объёму проводника. П. Друде предложил, что электроны проводимости в металле можно рассматривать как электронный газ, обладающий свойствами идеального одноатомного газа. При своём движении электроны проводимости сталкиваются с ионами кристаллической решётки металла.
Тепловое движение электронов вследствие своей хаотичности не может привести к возникновению электрического тока.
Под действием внешнего электрического поля в металлическом проводнике возникает упорядоченное движение электронов, т.е. возникает электрический ток .
Средняя скорость упорядоченного движения электронов, обуславливающая наличие электрического тока в проводнике, чрезвычайно мала по сравнению со средней скоростью их теплового движения при обычных температурах. Небольшое значение средней скорости объясняется весьма частыми столкновениями электронов с ионами кристаллической решётки.
Экспериментальное обоснование классической электронной теории. В опытах, выполненных Н.Л. Мандельштамом и Н.Д. Палалекси, а также Стюартом и Толменом, было экспериментально подтверждено, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов. На катушку был намотан медный проводник, присоединённый к баллистическому гальванометру. Катушку приводили в быстрое вращение, а затем резко останавливали. В момент торможения гальванометр показывал кратковременный ток, направление которого свидетельствовало, что он создаётся движением отрицательно заряженных частиц. Эти частицы, были свободными, при торможении кристаллической решётки, массы движутся по инерции и создают ток. Определяя с помощью манометра заряд, проходящий через него за всё время существования тока в цепи. Стюарт и Толмен нашли удельный заряд носителей тока в металле, т.е. отношение заряда частиц к массе. Он равный 1,8 · 10 Кл/кг. Это отношение в пределах ошибки совпадает со значением е/т для электронов, которое было найдено по отклонению пучка электронов в магнитном поле. Таким образом, электрический ток в металлах представляет собою упорядоченное, направленное движение свободных электронов, которое накладывается на их беспорядоченное тепловое движение при включении электрического поля в проводнике.
1.2. Электрическая сверхпроводимость металлов.
В 1911 году голландский физик Г. Камерлинг-Оннес обнаружил, что при постепенном охлаждении сопротивление ртути уменьшается по линейному закону только до температуры 4,15 К, а затем исчезает. Это явление получило название сверхпроводимость . Температуру, при которой ряд веществ переходит в сверхпроводящее состояние, называют критической.
Интересной особенностью сверхпроводящего состояния вещества является то, что с повышением температуры выше критической оно исчезает и вещество переходит в нормальное состояние. Явление сверхпроводимости исследовали во многих физических лабораториях мира, но только в 1985 году удалось найти материалы, которые переходят в сверхпроводящее состояние примерно при 20 К (-253°С). В 1986 году был обнаружен керамический материал, переходивший в сверхпроводящее состояние при температуре 30 К (-243°С). За один год потолок кристаллической температуры был поднят на 10 К. Это послужило толчком к поиску и исследованию керамических материалов, переходящих в сверхпроводящее состояние. Уже в 1987 году были найдены керамики, переходящие в сверхпроводящее состояние при температуре 125 К (-148°С). В настоящее время найдены материалы переходящие в сверхпроводящее состояние при температуре 162 К (-111°С). Последние пять лет исследованием явления сверхпроводимости заняты учёные многих стран мира. Задача этих исследований – найти вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при всё более высоких температурах. Интересно, что в ходе исследований были открыты сверхпроводящие полимеры.
Явление сверхпроводимости нашло широкое применение в современной технике. Так, например, уже построены и действуют генераторы электрического тока, магнитное поле и т.д.
Электронная теория проводимости металлов не смогла объяснить явление сверхпроводимости. Это явление было объяснено с позиций квантовой физики.
Все металлы в твердом и жидком состоянии являются проводниками электрического тока. Специально поставленные опыты показали, что при прохождении злектрического тока масса металлических проводников остается постоянной, не изменяется и их химический состав. На этом основании можно было предположить, что в создании электрического тока в металлах участвуют только электроны. Предположение об электронной природе электрического тока в металлах подтверждено опытами советских физиков Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси и американских физиков Т. Стюарта и Р. Толмена. В этих опытах было обнаружено, что при резкой остановке быстро вращающейся катушки в проводе катушки возникает электрический ток, создаваемый отрицательно заряженными частицами - электронами.
При отсутствии электрического поля свободные электроны перемещаются в кристалле металла хаотически. Под действием электрического поля свободные электроны, кроме хаотического движения, приобретают упорядоченное движение в одном направлении, и в проводнике возникает электрический ток. Свободные электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, отдавая им при каждом столкновении кинетическую энергию, приобретенную при свободном пробеге под действием электрического поля. В результате упорядоченное движение электронов в металле можно рассматривать как равномерное движение с некоторой постоянной скоростью V.
Так как кинетическая энергия электронов, приобретаемая под действием электрического поля, передается при столкновении ионами кристаллической решетки, то при прохождении постоянного тока проводник нагревается.
Зависимость удельного электрического сопротивления металлов от температуры.
Удельное сопротивление металлов при нагревании увеличивается приблизительно по линейному закону (рис. 152):
где р - удельное электрическое сопротивление металла при температуре t, ро - его удельное сопротивление при О °С, а - температурный коэффициент сопротивления, особый для каждого металла,
С приближением температуры к абсолютному нулю удельное сопротивление монокристаллов становится очень малым. Этот факт свидетельствует о том, что в идеальной кристаллической решетке металла электроны перемещаются под действием электрического поля, не взаимодействуя с ионами решетки. Длина их свободного пробега при этом может достигать значений, порядка 1 см, т. е. в 107-108 раз превышает межатомные расстояния в кристалле. Электроны взаимодействуют лишь с ионами, не находящимися в узлах кристаллической решетки.
При повышении температуры возрастает число дефектов в кристаллической решетке из-за тепловых колебаний ионов, - это приводит к возрастанию удельного сопротивления кристалла.
В том, что электрическое сопротивление металлов обусловлено взаимодействиями электронов проводимости с различными дефектами решетки, убеждает и тот факт, что удельное сопротивление кристаллов металлов сильно зависит от наличия в них примесей. Например, введение 1 % примеси марганца увеличивает удельное сопротивление меди в три раза.
Сверхпроводимость.
В 1911 г. нидерландский ученый Гейке Камерлинг-Ониес (1853- 1926) обнаружил, что при понижении температуры ртути до 4,1 К ее удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис. 153). 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.
Сверхпроводящие материалы уже используются в электромагнитах. Ведутся исследования, направленные на создание сверхпроводящих линий электропередачи.
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.
Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике.
Для определения скорости упорядоченного движения свободных электрических зарядов в проводнике нужно знать концентрацию свободных носителей заряда и силу тока . Если концентрация свободных электрических зарядов в проводнике то за промежуток времени через поперечное сечение проводника при скорости их упорядоченного движения проходит электрический заряд равный
Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику не происходит переноса вещества, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.
Опыт Э.Рикке В этих опытах электрический ток пропускали в течении года через три прижатых друг к другу, хорошо отшлифованных цилиндра - медный, алюминиевый и снова медный. Общий заряд, прошедший за это время через цилиндры, был очень велик (около 3,5*10 6 Кл). После окончания было установлено, что имеются лишь незначительные следы взаимного проникновения металлов, которые не превышают результатов обычной диффузии атомов в твёрдых телах. Измерения, проведённые с высокой степенью точности, показали, что масса каждого из цилиндров осталась неизменной. Поскольку массы атомов меди и алюминия существенно отличаются друг от друга, то масса цилиндров должна была бы заметно измениться, если бы носителями заряда были ионы.
Следовательно, свободными носителями заряда в металлах являются не ионы. Огромный заряд, который прошёл через цилиндры, был перенесён, очевидно, такими частицами, которые одинаковы и в меди, и в алюминии. Как известно, такие частицы входят в состав атомов всех веществ - это электроны. Естественно предположить, что ток в металлах осуществляют именно свободные электроны.
Опыт Т.Стюарта и Р.Толмена Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.
6. У всех металлов с увеличением температуры растет и сопротивление. R=R 0 (1+at) где a - температурный коэффициент; R 0 – удельное сопротивление и сопротивление металлического проводника; и R – удельное сопротивление проводника и сопротивление проводника при температуре t.
В 1911 году голландский физик Камерлинг- Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии её сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,2 К резко падает до нуля. Однако нулевое сопротивление не единственная отличительная черта сверхпроводимости. Ещё из теории Друде известно, что проводимость металлов увеличивается с понижением температуры, то есть электрическое сопротивление стремится к нулю.
Область применения 1. получение сильных магнитных полей; 2.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.
Металлы в твёрдом состоянии, как известно, имеют кристаллическое строение. Частицы в кристаллах расположены в определённом порядке, образуя пространственную (кристаллическую) решётку.
В узлах кристаллической решётки металла расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся свободные электроны. Свободные электроны не связаны с ядрами своих атомов (рис. 53).
Рис. 53. Кристаллическая решётка металла
Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки . Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален. Свободные электроны в нём движутся беспорядочно. Но если в металле создать электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно под действием электрических сил. Возникнет электрический ток. Беспорядочное движение электронов при этом сохраняется, подобно тому как сохраняется беспорядочное движение в стайке мошкары, когда под действием ветра она перемещается в одном направлении.
Итак, электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов .
Мандельштам Леонид Исаакович (1879-1944)
Российский физик, академик. Внёс существенный вклад в развитие радиофизики и радиотехники.
Папалекси Николай Дмитриевич (1880-1947)
Российский физик, академик. Занимался исследованиями в области радиотехники, радиофизики, радиоастрономии.
Доказательством того, что ток в металлах обусловлен электронами, явились опыты физиков нашей страны Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси, а также американских физиков Бальфура Стюарта и Роберта Толмена.
Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля невелика - несколько миллиметров в секунду, а иногда и еще меньше. Но как только в проводнике возникает электрическое поле, оно с огромной скоростью, близкой к скорости света в вакууме (300 000 км/с), распространяется по всей длине проводника.
Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. Так, например, при замыкании цепи электрической лампы в упорядоченное движение приходят и электроны, имеющиеся в спирали лампы.
Понять это поможет сравнение электрического тока с течением воды в водопроводе, а распространения электрического поля - с распространением давления воды. При подъёме воды в водонапорную башню давление (напор) воды очень быстро распространяется по всей водопроводной системе. Когда мы открываем кран, то вода уже находится под давлением и сразу начинает течь. Но из крана течёт та вода, которая была в нём, а вода из башни дойдёт до крана много позднее, так как движение воды происходит с меньшей скоростью, чем распространение давления.
Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.
Электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s = 8000 км), приходит туда примерно через 0,03 с.
Вопросы
- Как объяснить, что в обычных условиях металл электрически нейтрален?
- Что происходит с электронами металла при возникновении в нём электрического поля?
- Что представляет собой электрический ток в металле?
- Какую скорость имеют в виду, когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике?
Задание
Используя Интернет, найдите, с какой скоростью движутся электроны в металлах. Сравните её со скоростью света.
