Механизм проводимости в металлах
Обновлено: 26.04.2024
Существует классификация веществ в зависимости от их проводимости. Так, к проводникам относят вещества, удельная проводимость которых лежит в диапазоне $^6-^8\frac$, к диэлектрикам вещества с удельной проводимостью меньше $^\frac$ . Полупроводники лежат внутри этого диапазона, их проводимость может быть от $^\ до$ $^4\frac$. Такая классификация весьма условна и неточна. Так, у полупроводника с ростом температуры проводимость растет и при комнатной температуре может быть такой же, как и у проводника. При температурах около абсолютного нуля полупроводники являются диэлектриками. К проводникам относят, прежде всего, металлы.
Механизм электропроводности в металлах
Задолго до открытия электронов было экспериментально показано, что прохождение тока в металлах не связано с переносом вещества, атомы и молекулы металлов не принимают участия в переносе тока.
Атомы металла, находящегося в твёрдом (или жидком) состоянии, расщепляются на несколько электронов и положительный ион. Ионы находятся в узлах кристаллической решетки и совершают колебания около положения равновесия. Они составляют «твердый скелет» металлического тела. Электроны же пребывают в свободном беспорядочном движении в промежутках между ионами и составляют так называемый «электронный газ». При отсутствии внешнего электрического поля электроны совершают хаотичное, тепловое движение. Внешнее поле ведет к упорядочению движения электронов, то есть возникновению электрического тока. Электроны в процессе движения сталкиваются с ионами кристаллической решетки, передают ионам избыток кинетической энергии, которую они получили при взаимодействии с полем. Это приводит к интенсификации колебаний ионов, то есть нагреванию металла.
Все металлы не только хорошие проводники электрического тока, но и имеют высокую теплопроводность. С точки зрения представления о механизме тока в металлах, это совпадение объясняется не просто случайностью, а является следствием одной общей причины -- наличием в металлах свободных электронов. В металлах теплопередача происходит не только посредством столкновения атомов, но и свободными, легко подвижными электронами, которые переносят дополнительную энергию в веществе.
Готовые работы на аналогичную тему
Прямое доказательство того, что носителями тока в металлах являются электроны дали опыты Р.Ч. Толмена. Он измерил силу электрического тока, который появляется в металле, когда металлическому телу сообщают ускорение. Возникновение тока вызывается отставанием электронов от движения кристаллической решетки вещества.
То, что в проводниках существуют свободные электроны, объясняют тем, что при образовании кристаллической решетки от атомов металла отделяются валентные (самые слабо связанные) электроны, которые становятся общей собственностью всего вещества.
Механизм электропроводности полупроводников
Особый интерес представляют электронные полупроводники. В таких полупроводниках носителями тока являются, как и в металлах, электроны. Различие в проводимости металлов и полупроводников связано с очень большой разницей в концентрации носителей тока. В полупроводниках концентрация электронов в свободном состоянии в тысячи раз меньше, чем в металлах. В полупроводнике постоянно идут два противоположных процесса: процесс освобождения электронов, при этом используется внутренняя или световая энергия; процесс воссоединения с ионом, который потерял свой электрон. Равновесие между свободными и связанными электронами динамическое. Для того чтобы в полупроводнике перевести электрон из связанного состояния в свободное, необходимо сообщить ему дополнительную энергию. В металлах даже при низких температурах количество свободных электронов велико. Силы межмолекулярного взаимодействия в металлах достаточно для освобождения части электронов.
Сравнительно немногочисленные свободные электроны полупроводника, оторвались от атомов, при этом атомы стали ионами. Каждый ион окружен большим количеством атомов, которые не заряжены. Нейтральные атомы могут отдать свой электрон иону, превращаясь в ион, а ион становится нейтральным. Так, обмен электронами ведет к изменению местоположения положительных ионов в полупроводнике, то есть положительный заряд перемещается. До тех пор пока на полупроводник внешнего поля нет в среднем каждому электрону, который смещается в одном направлении, соответствует перемещение электрона в противоположном направлении. Аналогичный процесс идет с положительным зарядом. При наложении внешнего поля процессы получают преимущественное направление: свободные электроны движутся в направлении противоположном полю, положительные места -- по полю. Возникает ток одного направления (по полю), проводимость вызывается этими двумя процессами. Место, где вместо нейтрального атома имеется положительный ион, называют дыркой. Надо отметить, что фактически всегда имеет место только движение электронов, но движение связанных электронов от атомов к ионам ведет к результату, при котором будто бы движутся дырки, которые имеют положительный заряд.
Механизм электропроводности полупроводников описывает зонная теория. Она базируется на анализе энергетического спектра электронов. Электронный спектр разбивается на зоны, разделенные запрещенными промежутками. В том случае, если в верхней зоне имеющей электроны, ими заполнены не все квантовые состояния, то есть в пределах зоны имеется возможность перераспределения энергии и импульсов электронов, то данное вещество является проводником электрического тока. Движение электронов в зоне проводимости подчиняются квантовым законам.
Классическая электронная теория металлов
Интерпретация разных свойств вещества с точки зрения движения и существования электронов является содержанием электронной теории. В классической теории металлов считают, что движение электрона описывают законы Ньютоновой механики. В этой теории считают, что взаимодействие электронов между собой несущественно, а взаимодействие ионов и электронов осуществляется только как соударения. Это значит, что электроны проводимости рассматривают как электронный газ, который подобен идеальному одноатомному газу. Такой газ хорошо изучен и его свойства описаны. В частности он подчиняется закону равномерного распределения энергии по степеням свободы. В соответствии с этим законом средняя кинетическая энергия теплового движения, которая приходится на каждую степень свободы, равна $\frackT$, где $k=1,38\cdot ^\frac$, $T$ -- термодинамическая температура. Средняя энергия теплового движения одного электрона равна:
где $\left\langle v^2_T\right\rangle $- среднее значение квадрата скорости теплового движения.
Классическая электронная теория качественно объясняет многие законы электрического тока.
Задание: Чему равна концентрация свободных электронов, если от каждого атома отщепился один электрон.
Если от каждого атома отщепился один электрон, концентрация свободных электронов равна числу атомов в единице объема ($n$):
где $\rho $ -- плотность металла, $\mu $ -- молярная масса вещества, $N_=6\cdot ^моль^$ - число Авогадро. Для металлов значения $\frac<\mu >$ для металлов равны: калий$:\ \frac<_1><<\mu >_1>$=$2\cdot ^4\frac$, бериллий:$\ \frac<_2><<\mu >_2>$=$2\cdot ^5\frac$.
Тогда концентрация свободных электронов проводимости будут иметь значения порядка:
Задание: Чему равна подвижность электронов в калии? Удельная проводимость металлов равна $\sigma =^6\frac.$
Подвижностью электронов ($b$) является отношение скорости дрейфа ($v_d$) к напряженности электрического поля (E):
можно записать в виде:
где $n$ -- концентрация электронов проводимости, $q_e=1,6\cdot ^Кл$ -- заряд электрона, $\sigma $ -- удельная проводимость. Используя (2.1) и (2.3) выразим подвижность:
Используем результат первого примера, концентрация свободных электронов в калии равна $n=^м^$. Проведем вычисления:
Электрический ток в металлах: подробное объяснение
Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов. Более подробно об этом читайте далее в нашей статье.
Важно знать
Как известно, электрический ток – это упорядоченный поток носителей электрического заряда. Носители – это заряженные частицы, способные свободно перемещаться во всем объеме тела.
В случае металлов этими частицами являются электроны, которые высвобождаются при образовании связи между атомами металла.
Известно, что металлы в твердом состоянии имеют кристаллическую структуру. Частицы в кристаллах расположены в определенном порядке, образуя пространственную решетку (кристалл).
Наконец, кристаллическая решетка металла образована положительными ионами, погруженными в “облако” хаотически движущихся так называемых свободных электронов, также называемых электронами проводимости. В зависимости от валентности атомов металла, один атом может освободить от одного до трех электронов при образовании металлических связей. Число таких высвобожденных электронов непосредственно переводится в число носителей заряда. Это является одним из факторов, влияющих на способность металла проводить электрический ток.
Доказательством того, что ток в металлах вызывается электронами, послужили эксперименты наших отечественных физиков Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси, а также американских физиков Бальфура Стюарта и Роберта Толмана.
Способность металла проводить электрический ток может быть описана физической величиной, называемой удельным электрическим сопротивлением. Эта физическая величина обозначается греческой буквой ρ (читается как “ро”). Единицей измерения удельного сопротивления является Ом · м, т.е. произведение Ом на метр. Удельное сопротивление – это константа, которая характеризует материал и имеет различные значения для разных материалов. Например, удельное сопротивление меди составляет 1.72*10 -8 Ом · м. Это означает, что электрическое сопротивление медного проводника длиной 1 метр и площадью поперечного сечения 1 м равно 1.72*10 -8 Ом . В целом, чем ниже удельное сопротивление материала, тем лучше он проводит электрический ток.
В таблице ниже приведены некоторые примеры удельного сопротивления часто используемых металлов.
| Металл | Удельное сопротивление (Ом · м) |
| Серебро | 1.59*10 -8 |
| Медь | 1.72*10 -8 |
| Алюминий | 2.82*10 -8 |
| Вольфрам | 5.6*10 -8 |
| Железо | 10*10 -8 |
Удельное электрическое сопротивление может быть связано с микроскопическими свойствами материала. В частности, он зависит от концентрации носителей заряда и их подвижности.
Движение свободных электронов в металлах не является полностью “свободным”, поскольку во время их движении они взаимодействуют с другими электронами, и прежде всего с ионами кристаллической решетки. Специфика этого движения описывается так называемой классической моделью проводимости.
Основные предположения и выводы этой модели представлены в большом упрощении ниже.
Классическая модель проводимости
Без внешнего электрического поля электроны совершают тепловые хаотические движения, сталкиваясь друг с другом, а также сталкиваясь с ионами кристаллической решетки. В результате такого движения среднее положение электронов практически не меняется (см. рис. 1.).
Рис. 1. Пример траектории электрона во время его хаотического теплового движения в металле
Из-за квантовых эффектов, и в частности из-за принципа запрета Паули, который не позволяет всем электронам занимать самое низкое энергетическое состояние, средняя скорость электронов в металлах, связанная с их хаотическим тепловым движением, больше, чем скорость частиц в классическом идеальном газе той же температуры. Она составляет порядка 10 м/с.
Если электрическое напряжение U приложено к концам проводника длиной L в нем появится электрическое поле с напряженностью E = U / L
Под действием этого внешнего поля, согласно второму закону динамики, электроны ускоряются: a = F / m,
где F = e*E – сила, с которой электрическое поле действует на электрон с зарядом e. Таким образом, ускорение электрона составляет: a = e*E / m .
Ускоренное движение электрона длится лишь довольно короткое время, пока он не столкнется с ионом
кристаллической решетки. В результате такого столкновения электрон теряет практически всю свою кинетическую энергию. Однако замедленный электрон не остается в состоянии покоя – он снова ускоряется под действием электрического поля, снова сталкивается с одним из ионов из ионы кристаллической решетки и т.д. Этот эффект добавляет к скорости тепловых движений дополнительную направленную среднюю скорость u, которая из-за отрицательного заряда электрона имеет направление, противоположное напряженности внешнего электрического поля. Эта скорость называется средней скоростью дрейфа (рис. 2).
Рис. 2. Дрейф электрона под действием внешнего электрического поля
В проводнике начинает течь электрический ток с силой тока I (см. рисунок 3).
Рис. 3. Дрейфующие электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки
Предполагая, что движение электрона равномерно ускоряется между столкновениями с ионами решетки, с ускорением a = e*E / m , и предполагая, что в результате столкновения электрон передает всю свою кинетическую энергию кристаллической решетке, мы можем вычислить скорость, которую развивает электрон в своем свободном движении: v = a*τ . В этой формуле τ – средний интервал времени между последующими столкновениями дрейфующего электрона с ионами кристаллической решетки.
Поскольку при равномерно ускоренном движении без начальной скорости средняя скорость является средним арифметическим начальной (равной нулю) и конечной скоростью, то получаем: u = v / 2 = e*E*τ / 2*m .
Из полученной формулы следует, что скорость дрейфа, помимо внешнего электрического поля, определяется средним интервалом времени между столкновениями электронов с ионами решетки. Этот параметр зависит от многих факторов (включая температуру, кристаллическую структуру металла, дефекты кристаллической структуры, примеси) и, как выясняется, существенно влияет на электрическое сопротивление материала.
Средняя дрейфовая скорость электронов составляет порядка 10 -4 м/с. Она очень мала по сравнению со скоростью теплового движения, которая составляет порядка 10 6 м/с.
Классическая теория проводимости достаточно хорошо описывает явление электропроводности в металлах. Однако эта теория не может объяснить экспериментально наблюдаемую зависимость электрического сопротивления от температуры.
Причина упомянутой неудачи классической теории проводимости заключается в том, что она не учитывает влияние ионов решетки на движение электронов между столкновениями. Более близкие к реальности результаты дает квантовая теория проводимости, которая описывает электроны как частицы, подверженные квантовой статистике, движущиеся в периодическом электрическом поле, создаваемом положительными ионами решетки.
Выводы простым языком
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.
« Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля невелика – несколько миллиметров в секунду, а иногда и ещё меньше. Но как только в проводнике возникает электрическое поле, оно с огромной скоростью, близкой к скорости света в вакууме (300 000 км/c), распространяетcя по всей длине проводника. »
Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010
Как пример, электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s = 8000 км), приходит туда примерно через 0,03 с.
Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. Так, например, когда цепь электрической лампы замкнута, электроны в спирали лампы также движутся упорядоченно.
Сравнение электрического тока с потоком воды в водопроводной системе и распространения электрического поля с распространением давления воды поможет нам понять это. Когда вода поднимается в резервуар для воды, давление (напор) воды очень быстро распространяется по всей системе водоснабжения. Когда мы включаем кран, вода уже находится под давлением и сразу же начинает течь. Но вода, которая была в кране, течет, а вода из башни достигает крана гораздо позже, потому что вода движется с меньшей скоростью, чем распространяется давление.
Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.
Электропроводность: объяснение, формулы, единица измерения, таблица
Почему медь проводит электричество лучше, чем вода? Прочитав эту статью, вы больше не будете задавать себе больше этот вопрос. Далее мы обсудим электропроводность и рассмотрим формулы, которые описывают это понятие. Наконец, вы можете проверить свои знания на двух примерах.
Простое объяснение.
Электропроводность – это физическая величина, которая описывает насколько хорошо определенный материал проводит электричество.
Формулы
Существует три различных формульных обозначения удельной электропроводности σ (греч. сигма), k (каппа) и γ (гамма). В дальнейшем мы будем использовать σ. Формула электропроводности, также называемой удельной электропроводностью, описывается формулой:
σ = 1 / ρ .
Здесь ρ называется удельным сопротивлением. Вы можете рассчитать электрическое сопротивление R проводника с учетом его параметров следующим образом: R = ( ρ * l ) / S .
Таким образом, сопротивление R равно удельному сопротивлению ρ , умноженному на длину проводника l, деленному на площадь поперечного сечения S. Если теперь вы хотите выразить эту формулу через удельную электропроводность σ = 1 / ρ , полезно знать, что электрическая проводимость G проводника выражается следующим образом: G = 1 / R .
Если в верхнюю формулу подставить удельную электропроводность σ и электрическую проводимость G, то получится следующее: 1 / G = ( 1 / σ ) * ( l / S ) .
Путем дальнейшего преобразования можно получить выражение: G = σ * S / l .
С помощью электропроводности можно также описать важную зависимость между плотностью электрического тока и напряженностью электрического поля с помощью выражения: J = σ * E .
Единица измерения
Единицей удельной электропроводности σ в СИ является: [ σ ] = 1 См/м ( Сименс на метр ).
Эти единицы определяются по формуле G = σ * S / l . Если решить эту формулу в соответствии с σ, то получим σ = G * l / S .
Единица измерения электрической проводимости G задается как: [ G ] = 1 / σ = 1 См ( Сименс, международное обозначение: S ).
Если теперь ввести в формулу все единицы измерения, то получится:
[ σ ] = 1 См * 1 м / м 2 = 1 См / м .
Вы также будете чаще использовать единицы измерения См / см , м / Ом * мм 2 или См * м / мм 2 . Вы можете преобразовать отдельные измеряемые переменные так: См / см = См / 10 -2 м и так: м / Ом * мм 2 = См * м / мм 2 = См * м / 10 -3 м * 10 -3 м = 10 6 См / м .
Электропроводность металлов
В зависимости от количества свободно перемещающихся электронов один материал проводит лучше, чем другой. В принципе, любой материал является проводящим, но в изоляторах, например, протекающий электрический ток ничтожно мал, поэтому здесь мы говорим о непроводниках.
В металлических связях валентные электроны, т.е. крайние электроны в атоме, свободно подвижны. Они расположены в так называемой полосе проводимости. Находящиеся там электроны образуют так называемый электронный газ. Соответственно, металлы являются сравнительно хорошими проводниками. Если теперь подать электрическое напряжение на металл, валентные электроны медленно движутся к положительному полюсу, потому что он их притягивает.
Рис. 1. Движение электронов в металле
На рисунке 1 видно, что некоторые электроны не могут быть притянуты непосредственно к положительному полюсу, потому что на пути стоит, так сказать, твердое атомное ядро. Там они замедляются и в некоторой степени отклоняются. Именно поэтому электроны не могут ускоряться в металле бесконечно, и именно так возникает удельное сопротивление или электропроводность.
Теперь вы также можете измерить удельную электропроводность в металле с помощью следующей формулы: σ = ( n * e 2 * τ ) / m .
В этой формуле n означает число электронов, e – заряд электрона, m – массу электрона, а τ – среднее время полета электрона между двумя столкновениями.
Таблица удельной электропроводности
Для большинства веществ уже известны значения удельной электропроводности. Некоторые из них вы можете найти в следующей таблице ниже. Все значения в этой таблице действительны для комнатной температуры, т.е. 25°C.
| Вещество | Удельная электропроводность в См / м |
| Серебро | 62 · 10 6 |
| Медь | 58 · 10 6 |
| Золото | 45,2 · 10 6 |
| Алюминий | 37,7 · 10 6 |
| Вольфрам | 19 · 10 6 |
| Латунь | 15,5 · 10 6 |
| Железо | 9,93 · 10 6 |
| Нержавеющая сталь (WNr. 1,4301) | 1,36 · 10 6 |
| Германий (легирование | 2 |
| Кремний (легирование | 0,5 · 10 -3 |
| Морская вода | примерно 5 |
| Водопроводная вода | примерно 0,05 |
| Дистиллированная вода | 5 · 10 -6 |
| Изолятор | обычно |
Удельная электропроводность сильно зависит от температуры, поэтому указанные значения применимы только при 25°C. При повышении температуры вибрация решетки в веществе становится выше. Это нарушает поток электронов, и поэтому электропроводность уменьшается с ростом температуры.
Из таблицы видно, что медь имеет вторую по величине электропроводность, поэтому медные кабели очень часто используются в электротехнике. Серебро обладает еще более высокой проводимостью, но стоит намного дороже меди.
Интересно также сравнение между морской и дистиллированной водой. Здесь электропроводность возникает благодаря растворенным в воде ионам. Морская вода имеет очень высокую долю соли, которая растворяется в воде. Эти ионы передают электрический ток. В дистиллированной воде нет растворенных ионов, поэтому в ней практически не может протекать электрический ток. Поэтому электропроводность морской воды намного выше, чем дистиллированной.
Примеры задач
Для более детального рассмотрения приведём два примера расчетов.
В первой задаче представьте, что у вас есть провод длиной 2 м с поперечным сечением 0,5 мм 2 . Электрическое сопротивление провода при комнатной температуре составляет 106 мОм. Из какого материала изготовлен провод?
Решение данной задачи можно найти с помощью формулы: R = ( 1 / σ ) * ( l / S ). Из этой формулы найдём σ = l / ( S * R ) .
Теперь вы можете вставить заданные значения, убедившись, что вы перевели сечение в м 2 .
σ = l / ( S * R ) = 2 м / ( ( 0,5 * 10 -6 м 2 ) * ( 1 / 106 * 10 -3 Ом ) ) = 37, 7 * 10 6 См / м .
Наконец, вы ищите в таблице, какой материал имеет удельную электропроводность σ = 37, 7 * 10 6 См / м и приходите к выводу, что провод сделан из алюминия.
В задаче 2 вам дано только удельное сопротивление образца с 735 * 10 -9 Ом * м. Из какого материла изготовлен образец?
Вы можете использовать формулу σ = 1 / ρ для расчёта удельной электропроводности. После подстановки значений в эту формулу вы получите: σ = 1 / ρ = 1 / 735 * 10 -9 Ом * м = 1,36 * 10 6 См / м .
Если вы снова заглянете в таблицу, то обнаружите, что образец должен быть изготовлен из нержавеющей стали.
Электронная проводимость металлов
В 10 классе известно, что вещество, являющееся проводником, должно содержать много высокоподвижных носителей электрического заряда. Наилучшими проводниками в нормальных условиях являются металлы. Кратко рассмотрим механизм электронной проводимости металлов.
Структура кристаллической решетки металла
Вещества, обладающие металлической проводимостью, как правило, имеют во внешней электронной оболочке малое количество электронов, которые относительно слабо связаны ядром и внутренними электронными оболочками. Это и определяет особенности металлической кристаллической решетки.
В кристалле металла ионы с внутренними электронными оболочками образуют узлы решетки, как и в любом другом кристалле. А электронные облака внешних валентных электронов перекрывают друг друга так, что они оказываются общими не только для двух ионов (как это бывает в ковалентной связи), а сразу для нескольких ионов. В результате электроны могут свободно перемещаться между всеми этими ионами, попадая в поле действия более далеких ионов, и перемещаясь уже между ними.
То есть, электроны в кристаллической решетке металла движутся не строго по орбитам между соседними атомами (как в ковалентном кристалле), а образуют своего рода «электронный газ», распределенный по всему кристаллу.
Рис. 1. строение металлической кристаллической решетки.
Проводимость металлов
Такое строение кристаллической решетки приводит к тому, что электроны очень легко способны перемещаться под действием внешнего электрического поля. То есть, металлы, имеют много свободных легких электронов и обладают большой проводимостью.
Доказательством существования свободных электронов явились опыты, проведенные в 1916г Т. Стюартом и Р.Толменом (позже выяснилось, что такие же опыты ставились и ранее Л. Мандельштамом и Н.Папалекси, но результат их не был опубликован).
Идея этих опытов состоит в том, что если внутри металла существуют свободные электроны, то при движении кристаллической решетки с ускорением электроны должны «отставать» от ионов. В результате на разных концах кристалла концентрация электронов должна быть разной, и порождать разность потенциалов. Для опыта использовалась катушка, к которой был подключен чувствительный телефонный капсюль. Когда катушка колебалась вокруг продольной оси, в ней возникала электроинерционная разность потенциалов, и капсюль издавал звук.
Рис. 2. Опыт Мандельштама и Папалекси.
Теории проводимости
В 1900г П.Друде, основываясь на положениях молекулярно-кинетической теории, и рассматривая электроны в металле, как идеальный газ, создал классическую электронную теорию проводимости металлов. Первоначально эта теория не учитывала распределение скоростей электронов, учет этого распределения был выполнен в 1904г Х.Лоренцем.
Теория Друде-Лоренца смогла объяснить законы Ома, Джоуля-Ленца, механизм проводимости и зависимости сопротивления от температуры. Однако, со временем стало появляться все больше данных, необъяснимых в рамках классичепской теории. В частности, имелись расхождения по температурному коэффициенту сопротивления, по значениям теплоемкости. И уж совсем необъяснимым было явление сверхпродоимости, открытое в 1911г.
Все эти расхождения имеют квантовый характер, и поэтому объясняются в рамках более совершенной квантовой теории проводимости твердых тел (зонной теории проводимости).
Рис. 3. Зонная теория проводимости.
Что мы узнали?
Высокая проводимость металлов обуславливается особенностями кристаллической решетки, в которой электронные облака соседних атомов сильно перекрываются друг с другом, поэтому электроны могут легко перемещаться между атомами, обеспечивая низкое электрическое сопротивление. Первоначально была разработана классическая теория проводимости Друде-Лоренца. В настоящее время она сменилась зонной теорией проводимости.
Электрический ток в металлах
Электрическим током в физике называется согласованное (упорядоченное, однонаправленное) перемещение электрически заряженных элементарных частиц (электронов, протонов, ионов) или заряженных макроскопических частиц (например, капель дождя во время грозы). В веществах, находящихся в различных агрегатных состояниях (твердое тело, жидкость, газ) ток может формироваться из разного набора заряженных частиц. Рассмотрим механизм образования электрического тока в металлах.
Свободные электроны в металлах
Вещества, относящиеся к металлам, могут находиться как в твердом, так и в жидком состоянии (ртуть, галлий, цезий и др.). При этом все они являются проводниками электрического тока. Твердые вещества имеют структуру жесткой кристаллической решетки, в узлах которых “сидят” положительно заряженные ионы, совершающие небольшие колебания относительно точки равновесия. В объеме кристалла всегда присутствует большое количество свободных электронов, которые вырвались с орбит атомов в результате механических соударений или воздействия излучений.
Рис. 1. Механизм электрического тока в металлах.
Это электронное “облако” движется беспорядочно, хаотично до тех пор, пока к металлу не будет приложено электрическое поле. Электрическое поле E, созданное внешним источником (батареей, аккумулятором), действует на заряд q с силой F:
Под действием этой силы электроны приобретают ускорение в одном направлении и, таким образом, появляется электрический ток в цепи.
Многочисленные наблюдения показали, что при прохождении электрического тока масса проводников и их химический состав не изменяются. Отсюда следует вывод, что ионы металлов, которые составляют основную массу вещества, не принимают участия в переносе электрического заряда.
Опыт Мандельштама и Папалекси
Электронную природу тока в металле первыми экспериментально доказали российские физики Мандельштам и Папалекси в 1913 г. Для того, чтобы выяснить, какие частицы создают электрический ток в металлах, они — без подключения внешнего источника — регистрировали ток в катушке из металлического провода, которую сначала сильно раскручивали вокруг собственной оси, а затем резко останавливали. Поскольку у электрона есть масса, то он должен подчиняться закону инерции. Поэтому в момент остановки атомы решетки останутся на месте, а свободные электроны по инерции, какое-то время, продолжат движение в прежнем направлении. То есть в цепи должен появиться электрический ток. Эксперименты подтвердил это предположение — после остановки катушки исследователи регистрировали бросок тока в цепи.
Этот эксперимент в 1916 г. повторили американцы Стюарт и Толмен. Им удалось повысить точность измерений и получить отношение заряда электрона eэ к значению массы электрона mэ:
Этот фундаментальный результат совпал с полученными данными из других экспериментов, поставленных на основе измерения других параметров. Впервые эту величину в 1897 г. измерил англичанин Джозеф Томсон по отклонению пучка электронов в зависимости от напряженности электрического поля.
Скорость распространения электрического тока
Скорость распространения электрического поля в металле близка к скорости света в вакууме, которая равна 300000 км/с. Но это не значит, что электроны внутри вещества двигаются с такой же скоростью. Для проводника с площадью поперечного сечения S = 1 мм 2 при силе тока I = 1 A скорость упорядоченного движения электронов равна v = 6*10 -5 м/с. То есть за одну секунду электроны в проводнике за счет упорядоченного движения проходят всего 0,06 мм.
Такие малые значения скоростей движения электронов в проводниках не приводят к запаздыванию включения электрических ламп, включения бытовых приборов и т.д., так как при подаче напряжения вдоль проводов со скоростью света распространяется электрическое поле. Эта скорость настолько велика, что позволяет приводить в движение свободные электроны практически мгновенно во всех проводниках электрической цепи.
Применение свойств электрического тока в металлах
Физические свойства электрического тока используются в различных областях жизнедеятельности:
- Способность электрического тока нагревать проводники используется для изготовления нагревательных бытовых и промышленных приборов;
- Вокруг провода с электрическим током возникает магнитное поле, что позволило создать электродвигатели, без которых сегодня невозможно обойтись;
- Передача электроэнергии на различные расстояния осуществляется по проводам линий электропередачи (ЛЭП), по которым течет электрический ток.
Итак, мы узнали, что электрический ток в металлах создается упорядоченным движением свободных электронов. Экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создают электроны, впервые получили российские физики Мандельштам и Папалекси. Физические свойства электрического тока в металлах позволили создать большое количество бытовых и промышленных устройств.
Читайте также: