Электрический ток в металлах

T , а на основе экспериментов – ρ

В ходе исследований были получены доказательства электронной природы тока в металлах. Уже в 1913 году Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси сообщили о первых качественных результатах. В то время как в 1916 году Р. Толман и Б. Стюарт усовершенствовал существующий метод и провел количественные измерения, которые доказали, что движение электронов вызывается током в металлических проводниках.

Рисунок 1 . 12 . 1 показана диаграмма Толмана и Стюарта. Катушка, состоящая из большого количества витков тонкой проволоки, приводилась в действие вращением вокруг своей оси. Его концы были присоединены к баллистическому гальванометру D. Быстрое замедление катушки производилось мгновенным током, обусловленным инерцией носителя заряда. Общий заряд измерялся путем перемещения кончиков гальванометра.

Рисунок 1 . 12 . 1 . Схема эксперимента Толмана и Стюарта.

При торможении вращающейся катушки на каждый носитель заряда e действует сила F = – m d υ d t , называемая тормозной силой. F играет роль внешней силы, другими словами, неэлектрического происхождения. Именно эта сила, характеризуемая единичным зарядом, является напряженностью поля внешней силы E s t :

E s t = – m e d υ d t .

Это означает, что при торможении катушки возникает электродвижущая сила δ, равная δ = E s t l = m e d υ d t l , где l – длина провода катушки. Определенный период времени процесс торможения катушки вызван зарядом, протекающим через цепь q :

q = ∫ I d t = 1 R ∫ δ d t = m e l υ 0 R .

Эта формула объясняет, что l – мгновенный ток в катушке, R – импеданс цепи, а υ 0 – начальная линейная скорость провода. Видно, что определение удельного заряда e m в металлах основано на формуле:

Значения справа могут быть измерены. По результатам экспериментов Толмана и Стюарта было установлено, что свободные носители заряда имеют отрицательный знак, а отношение носителя к его массе близко к значению удельного заряда электрона, полученного в других экспериментах. Был сделан вывод, что электроны являются свободными носителями заряда.

Современные данные показывают, что модуль заряда электрона, или элементарный заряд, равен e = 1 , 60218 – 10 – 19 K l , а обозначение его удельного заряда – e m = 1 , 75882 – 10 11 K l / k g .

Если концентрация свободных электронов идеальна, то имеет смысл говорить о хорошей проводимости металлов. Это было обнаружено еще до экспериментов Толмана и Стюарта. В 1900 году П. Друде, основываясь на гипотезе о существовании свободных электронов в металлах, разработал электронную теорию проводимости металлов. Она была развита и расширена Х. Лоренцем, в честь которого она была названа классической теорией электронов. Из нее было понятно, что электроны ведут себя в электронном газе, как в идеальном состоянии. Рисунок 1 . 12 . 2 показано, как он может заполнить пространство между ионами, которые уже образовали кристаллическую решетку металла.

Рисунок 1 . 12 . 2 . Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов.

Электроны движутся в одном направлении по всей длине проводника.

Содержание

1. электрический ток в металлах. Полупроводники

Металлы в твердом состоянии имеют кристаллическую структуру.
Кристаллическая решетка (см. рис. 1) является моделью металла, и частицы в узлах решетки движутся хаотично.
647px-Zinc-selenide-unit-cell-3D-balls.png

Электроны движутся в одном направлении по всей длине проводника.

Тот факт, что ток в металлах вызывается движением электронов, был подтвержден многочисленными экспериментами, такими как эксперимент Мандельштама и Папалекси (1916). Целью этого эксперимента было выяснить, имеет ли носитель электрического тока – электрон – массу. Если электрон обладает массой, он должен подчиняться законам механики, в частности, закону инерции. Например, если движущийся проводник внезапно замедляется, электроны будут продолжать двигаться в том же направлении из-за инерции в течение некоторого времени.
В этом тесте исследователи вращали катушку с текущим током, а затем резко останавливали ее. Полученный удар тока регистрировался с помощью телефона.
Мандельштам и Папалекси по щелчку тока в телефонах определили, что электрон имеет массу. Но они не смогли измерить эту массу. Поэтому данный эксперимент является качественным. Позже американские физики Толман и Стюарт, используя ту же идею вращения катушки, измерили массу электрона. Для этого они измерили заряд на клеммах катушки при торможении катушки.

5. Близорукость исправляется …

1 Какие частицы являются носителями в металлах? a) электроны b) электроны и ионы
в) ионы г) электроны и дырки.
2. Источник тока с напряжением 2 В и внутренним сопротивлением 3 Ом закорочен на сопротивление нагрузки 6 Ом. Какой ток протекает через источник?
a) 0,22 A b) 0,67 A c) 0,33 A d) 0,17 A
3 Провод, в котором течет ток силой 10 А и длиной 2 м, находится в однородном магнитном поле с индукцией 0,5 Тесла, а направление тока составляет 30º с направлением магнитного поля. Какова напряженность магнитного поля, действующего на проводник?
a) 0 Н b) 5 Н c) 10 Н d) 8,7 Н
4 Чтобы уменьшить потери в линии электропередачи при передаче той же мощности на нагрузку, можно …
a) увеличить сопротивление проводников линии
(b) увеличить напряжение генератора
(c) увеличить ток генератора
(d) переход от передачи переменного тока к передаче постоянного тока
5. Близорукость исправляется …
(a) выпуклая линза
b) диффузная линза
c) призма
(d) плоскопараллельная пластина
(6) Интерференция света – это …
(a) отклонение от прямолинейности при распространении световых волн
(b) зависимость показателя преломления света от материи
c) перераспределение волновой энергии в пространстве при наложении волн друг на друга
d) распад преломленного излучения

DedStar

(2) Источник тока с напряжением 2 В и внутренним сопротивлением 3 Ом подключен к нагрузке с сопротивлением 6 Ом. Какой ток протекает через источник?

I = ЭДС / (R+r) = 2 / (6+3) ≈ 0,22 A

3 Провод с током 10 А длиной 2 м помещен в однородное магнитное поле с индукцией 0,5 Тесла, направление тока наклонено под углом 30º к направлению магнитного поля. Какова напряженность магнитного поля, действующего на проводник?

F = B-I-L-sin α = 0,5-10-2-0,5 = 5 Н

4. Чтобы уменьшить потери в линии электропередачи при передаче той же мощности в нагрузку, вы можете …

(b) увеличить напряжение генератора

5. близорукость исправляется …

(b) рассеивающая линза

6. световые помехи – это …

(c) перераспределение волновой энергии в пространстве при наложении волн друг на друга

В этом рабочем листе мы начинаем подробное исследование того, как электрический ток течет в различных проводящих средах – твердых телах, жидкостях и газах.

Эксперимент Стюарта-Толмана

Прямое экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах возникает из-за движения свободных электронов, представлено экспериментом Т. Стюарт и Р. Толман (1916).

Эксперименту Стюарта-Толмана предшествовали качественные наблюдения, сделанные четырьмя годами ранее российскими физиками Л.И.Мандельштамом и Н.Д.Папалекси. Они заметили, что так называемые. электроинерционный эффект.Если движущийся проводник быстро замедляется, в нем возникает короткий импульс тока. Этот эффект объясняется тем, что в течение короткого времени после торможения проводника его свободные заряды продолжают двигаться под действием силы инерции.

Однако Мандельштам и Папалекси не получили никаких количественных результатов, и их наблюдения не были опубликованы. Честь назвать этот эксперимент своим именем принадлежит Стюарту и Толману, которые не только наблюдали конкретный электрически-инерционный эффект, но и провели необходимые измерения и расчеты.

Установка Стюарта и Толмана показана на рисунке 3.

Рисунок 3: Эксперимент Стюарта-Толмана

Катушку с большим количеством витков металлической проволоки заставили быстро вращаться вокруг своей оси. Концы катушки были соединены со специальным прибором, баллистическим гальванометром, с помощью скользящих контактов. баллистический гальванометрКонцы обмотки соединялись скользящими контактами со специальным устройством – баллистическим гальванометром.

Когда катушка внезапно замедлялась, в цепи возникал импульс тока. Направление течения указывало на то, что оно было вызвано движением отрицательный заряды. Измерив с помощью баллистического гальванометра общий заряд, протекающий через цепь, Стюарт и Толман рассчитали отношение заряда одной частицы к ее массе. Это оказалось равным соотношению для электрона, которое уже было хорошо известно в то время.

И вот, наконец, выяснилось, что что свободные электроны являются носителями заряда в металлах. Как видите, этот давно известный факт был установлен довольно поздно – учитывая, что металлические проводники к тому времени уже более века активно использовались в различных экспериментах по электромагнетизму (сравните, например, дату открытия закона Ома – 1826 год. Дело, однако, в том, что сам электрон был открыт только в 1897 году).

Электронная проводимость металлов была впервые экспериментально доказана немецким физиком Э. Рикке в 1901 году. Электрический ток пропускали через три полированных цилиндра – медный, алюминиевый и снова медный – плотно прижатых друг к другу в течение длительного времени (более года). Общий заряд, переданный за это время, был равен 3,5-10 6 Кл. Поскольку массы атомов меди и алюминия сильно отличаются, массы цилиндров значительно изменятся, если носителями заряда будут ионы. Результаты эксперимента показали, что массы каждого цилиндра остались неизменными. На соприкасающихся поверхностях были обнаружены лишь небольшие следы взаимного проникновения металлов, которые не превышали результатов обычной диффузии атомов в твердых телах. Поэтому свободными носителями заряда в металлах являются не ионы, а частицы, которые одинаковы в меди и алюминии. Такими частицами могут быть только электроны.

А. Ток в металлах

Электронная проводимость металлов была впервые экспериментально доказана немецким физиком Э. Рикке в 1901 году. Электрический ток пропускали через три полированных цилиндра – один медный, один алюминиевый и один медный – плотно прижатых друг к другу в течение длительного времени (один год). Общий заряд, переданный за это время, был равен 3,5-10 6 Кл. Поскольку массы атомов меди и алюминия сильно отличаются, массы цилиндров значительно изменятся, если носителями заряда будут ионы. Результаты эксперимента показали, что массы каждого цилиндра остались неизменными. На соприкасающихся поверхностях были обнаружены лишь небольшие следы взаимного проникновения металлов, которые не превышали результатов обычной диффузии атомов в твердых телах. Поэтому носителями свободного заряда в металлах являются не ионы, а частицы, которые одинаковы как в меди, так и в алюминии. Такими частицами могут быть только электроны.

Прямое и убедительное доказательство этого предположения было получено в экспериментах, проведенных в 1913 году. Опыты Л.И. Мандельштама и Н.Д. Папалекси в 1913 году и Т. Стюарт и Р. Толман.

Провод наматывается на катушку и припаивается к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга (рис. 1). К концам дисков подключается гальванометр со скользящими контактами.

Катушка быстро вращается, а затем быстро останавливается. При резкой остановке катушки свободно заряженные частицы будут двигаться по проводнику некоторое время по инерции, поэтому в катушке возникнет электрический ток. Ток будет существовать короткое время, потому что сопротивление проводника замедляет движение заряженных частиц, и их упорядоченное движение прекращается.

Направление тока указывает на то, что он создается движением отрицательно заряженных частиц. Передаваемый заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т.е. (

∆дельта q = ∆frac). Поэтому, измеряя заряд, протекающий через гальванометр при наличии тока в цепи, можно было определить отношение (

frac). Было установлено, что этот показатель составляет 1,8-10 11 Cl/кг. Это значение совпадает с отношением заряда электрона к его массе, ранее найденным из других экспериментов.

Таким образом, электрический ток в металлах возникает в результате движения отрицательно заряженных частиц электронов. Согласно классической теории электронной проводимости металлов (П. Друде, 1900, Х. Лоренц, 1904), металлический проводник можно рассматривать как физическую систему, состоящую из комбинации двух подсистем:

    свободные электроны концентрации

Появление свободных электронов в кристалле можно объяснить следующим образом.

Когда атомы объединяются, образуя кристалл металла, от них отрываются самые слабые электроны, связанные с атомным ядром (рис. 2). Поэтому положительные ионы располагаются в узлах металлической решетки, а электроны, не связанные с ядрами их атомов, перемещаются в пространстве между ними. Эти электроны называются бесплатно или электроны проводимости. Они движутся хаотично, подобно движению молекул газа. Вот почему совокупность свободных электронов в металлах называется электронный газ.

Если к проводнику приложено внешнее электрическое поле, случайное хаотическое движение свободных электронов накладывается на направленное движение под действием сил электрического поля, что порождает электрический ток. Скорость самих электронов в проводнике составляет несколько долей миллиметра в секунду, но электрическое поле, создаваемое в проводнике, распространяется по его длине со скоростью, подобной скорости света в вакууме (3-10 8 м/с).

Поскольку электрический ток в металлах создается свободными электронами, проводимость металлических проводников называется электронная проводимость.

Электроны под воздействием постоянной силы электрического поля приобретают определенную скорость упорядоченного движения (мы называем ее скоростью дрейфа). Эта скорость не увеличивается со временем, потому что электроны, сталкиваясь с ионами решетки, передают решетке кинетическую энергию, полученную в электрическом поле. В качестве первого приближения можно предположить, что на протяжении длины свободного прохода λ (это расстояние, пройденное электроном между двумя последовательными столкновениями с ионами) электрон движется с ускорением λ(

a = λ), и скорость его дрейфа линейно увеличивается со временем{[[

¯upsilon = at = ¯frac]. При столкновении электрон передает кинетическую энергию кристаллической решетке. Затем он снова ускоряется, и процесс повторяется. В результате средняя скорость упорядоченного движения электронов пропорциональна напряженности электрического поля в проводнике [.

Ù), а значит и разность потенциалов на концах проводника, так как (

E = frac Ul), где l – длина проводника.

Известно, что ток в проводнике пропорционален скорости упорядочения частиц[.

I = en mathcal h upsilon mathcal i S], и поэтому, согласно предыдущему, ток пропорционален разности потенциалов на концах проводника: I

U. Это качественное объяснение закона Ома, основанное на классической электронной теории проводимости металлов.

Однако в рамках этой теории возникли трудности.

ρhim ρhim ρqrt T)), тогда как согласно эксперименту, ρ

Т. Более того, теплоемкость металлов, согласно этой теории, должна быть намного больше теплоемкости одноатомных кристаллов. В действительности теплоемкость металлов не сильно отличается от теплоемкости неметаллических кристаллов. Эти трудности были преодолены только в квантовой теории.

В 1911 году голландский физик Х. Камерлинг Оннес, изучая изменения электрического сопротивления ртути при низких температурах, обнаружил, что при температуре около 4 К (т.е. при -269 °С) сопротивление внезапно падает почти до нуля (рис. 1). Это явление обратимости электрического сопротивления к нулю G. Камерлинг Оннес назвал сверхпроводимостью.

Впоследствии было обнаружено, что более 25 химических элементов металлов становятся сверхпроводниками при очень низких температурах. Каждый из них имеет свою критическую температуру перехода в состояние нулевого сопротивления. Наименьшее значение для вольфрама составляет 0,012 К, а наибольшее для ниобия – 9 К.

Сверхпроводимость наблюдается не только в чистых металлах, но и во многих химических соединениях и сплавах. Элементы, входящие в состав сверхпроводящего соединения, сами по себе могут не быть сверхпроводниками. Например, NiBi, Au2Bi, PdTe, PtSb и другие.

Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают необычными свойствами:

  1. Электрический ток в сверхпроводнике может существовать в течение длительного времени без источника тока;
  2. Внутри вещества, находящегося в сверхпроводящем состоянии, не может быть создано магнитное поле:
  3. магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость – это явление, объясняемое с точки зрения квантовой теории. Его довольно сложное описание выходит за рамки школьного курса физики.

До недавнего времени широкому использованию сверхпроводимости препятствовала сложность ее охлаждения до сверхнизких температур, для чего использовался жидкий гелий. Однако, несмотря на сложность оборудования и дефицит и высокую стоимость гелия, с 1960-х годов сверхпроводящие магниты производятся без потерь тепла в их катушках, что делает практически возможным получение сильных магнитных полей в относительно большом объеме. Эти магниты необходимы для создания установок управляемого ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы и для строительства мощных ускорителей заряженных частиц. Сверхпроводники используются в различных измерительных приборах, особенно в устройствах для измерения очень слабых магнитных полей с высочайшей точностью.

В настоящее время 10 – 15% энергии в линиях электропередач расходуется на преодоление сопротивления проводов. Сверхпроводящие линии или хотя бы подведение их к крупным городам позволило бы добиться огромной экономии. Еще одно применение сверхпроводимости – транспорт.

Сверхпроводящие пленки используются для создания многих высокоскоростных логических элементов и элементов памяти в счетных и проблемно-решающих устройствах. В космических исследованиях сверхпроводящие соленоиды перспективны для использования в радиационной защите астронавтов, стыковке, торможении и ориентации кораблей, а также в ракетных двигателях с плазменным питанием.

Теперь стало возможным создать керамические материалы, которые демонстрируют сверхпроводимость при более высоких температурах – свыше 100 К, что выше температуры кипения азота. Возможность охлаждения сверхпроводников жидким азотом, теплота парообразования которого на порядок выше, значительно упрощает и удешевляет всю криогенную аппаратуру и сулит огромные экономические выгоды.

Тогда модуль его средней направленной скорости равен: где – усредненный интервал между двумя последовательными столкновениями электрона с ионами в кристаллической решетке.

Физика. 10 класс.

Металлы являются типичными представителями класса проводников. Какова природа электрического тока в металлах?

Природа электрического тока в металлах. В металлических проводниках носителями электрического заряда являются свободные электроны. Под воздействием внешнего электрического поля свободные электроны упорядоченно перемещаются, создавая электрический ток (рис. 194).

Электронная проводимость металлов была впервые экспериментально подтверждена немецким физиком К. Рикке (1845-1915) в 1901 году. Суть эксперимента Рике заключалась в следующем: через проводник, состоящий из трех отполированных и сильно сжатых цилиндров – двух медных и одного алюминиевого (рис. 195), в течение одного года пропускали ток одинакового направления. За это время через проводник прошел заряд более 3,5 МКл. По окончании эксперимента цилиндры были взвешены, и оказалось, что их масса не изменилась. Это было экспериментальное доказательство того, что перенос зарядов при протекании тока в металлах не сопровождается химическими процессами и переносом вещества, а осуществляется частицами, одинаковыми во всех металлах, то есть электронами.

В 1916 году американский физик Р. Толман (1881-1948) и шотландский физик Т. Стюарт усовершенствовали методы этих экспериментов и провели количественные измерения, которые окончательно доказали, что ток в металлических проводниках вызван движением свободных электронов.

В этих экспериментах катушка с большим числом витков тонкой проволоки подключалась к гальванометру и приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси (рис. 195.1). При резком торможении катушки в цепи мгновенно возникал ток, обусловленный инерцией носителей заряда. По направлению отклонения стрелки гальванометра было определено, что электрический ток генерируется отрицательно заряженными частицами. Экспериментально определенное отношение заряда каждой из этих частиц к ее массе (удельный заряд) близко к удельному заряду электрона, полученному в других экспериментах. Таким образом, было экспериментально доказано, что носителями свободного заряда в металлах являются электроны.

Вещества с электронной проводимостью называются проводники первого типа..

Согласно классической электронной теории проводимости металлов, которая была разработана немецким физиком П. Дроудом (1863-1906) в 1900 году, металлический проводник можно рассматривать как физическую систему, состоящую из свободных электронов и положительно заряженных ионов, колеблющихся около равновесных положений (рис. 196).

Появление свободных электронов при образовании металлического кристалла из нейтральных атомов можно упрощенно объяснить следующим образом. Электроны во внешних оболочках атомов слабо связаны с их ядрами. Во время формирования кристалла атомы приближаются друг к другу на расстояние r 0,1 нм и электроны начинают взаимодействовать не только с собственными ядрами, но и с ядрами соседних атомов. В результате их взаимодействие с собственными ядрами значительно ослабевает, поэтому они теряют связи с ними и могут перемещаться по кристаллу в любом направлении как свободные частицы. Атомы превращаются в положительно заряженные ионы. В пространстве между ионами свободные электроны движутся беспорядочно, как молекулы идеального газа. Поэтому для описания движения электронов используется модель “электронного газа” – совокупности свободных электронов в кристаллической решетке металла. На рисунке 196.1 пунктирной линией показана траектория одного из электронов.

В этой модели электроны, упорядоченное движение которых представляет собой ток проводимости, рассматриваются как материальные точки, модуль потенциальной энергии взаимодействия которых пренебрежимо мал по сравнению с их кинетической энергией. Считается, что движение электронов под действием электрического поля подчиняется законам классической механики, а их столкновения с ионами кристаллической решетки металла являются неупругими, т.е. при столкновениях электроны полностью передают ионам кинетическую энергию своего упорядоченного движения. Между столкновениями свободные электроны совершают беспорядочное тепловое движение и одновременно движутся упорядоченно и равномерно ускоренно под действием электрического поля.

Интересно узнать

Модель электронного газа позволяет теоретически объяснить природу сопротивления и обосновать закон Ома для участка цепи без источника тока на основе классической электронной теории проводимости металлов. Давайте проанализируем упорядоченное движение электронов проводимости.

Пусть электрон движется с ускорением в направлении, противоположном направлению напряженности электрического поля (рис. 196.2): где m0 – масса электрона, e – элементарный электрический заряд (модуль заряда электрона).

Тогда модуль средней скорости его направленного движения: где – усредненный интервал времени между двумя последовательными столкновениями электрона с ионами кристаллической решетки.

Поскольку электрическое поле внутри однородного прямолинейного проводника с током однородно, модуль напряженности этого поля где l – длина проводника, U – напряжение между его концами. Тогда модуль средней скорости направленного движения электронов пропорционален напряжению между концами проводника .

Ток в проводнике пропорционален модулю средней направленной скорости электронов:

где q – модуль заряда электронов проводимости в проводнике, – среднее время прохождения этих электронов через проводник, N – число электронов проводимости в проводнике, n – концентрация этих электронов, V = Sl – объем проводника. Поэтому ток пропорционален напряжению между концами проводника I U.

 

Читайте далее:
Сохранить статью?