Определение 1
Электрическим током в металлах называют упорядоченное движение электронов под действием электрического поля.
Исходя из опытов, видно, что металлический проводник вещество не переносит, то есть ионы металла не участвуют в передвижении электрического заряда.
При исследованиях были получены доказательства электронной природы тока в металлах. Еще в 1913 году Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси выдали первые качественные результаты. А в 1916 году Р. Толмен и Б. Стюарт модернизировали имеющуюся методику и выполнили количественные измерения, которые доказывали, что движение электронов происходит под действием тока в металлических проводниках.
Рисунок 1 . 12 . 1 показывает схему Толмена и Стюарта. Катушка, состоящая из большого количества витков тонкой проволоки, приводилась в действие при помощи вращения вокруг своей оси. Ее концы были прикреплены к баллистическому гальванометру Г. Производилось резкое торможение катушки, что было следствием возникновения кратковременного тока, обусловленного инерцией носителя заряда. Измерение полного заряда производилось при помощи движения стрелок гальванометра.
Рисунок 1 . 12 . 1 . Схема опыта Толмена и Стюарта.
Во время торможения вращающейся катушки сила F = - m d υ d t , называемая тормозящей, действовала на каждый носитель заряда е. F играла роль сторонней силы, иначе говоря, неэлектрического происхождения. Именно эта сила, характеризующаяся единицей заряда, является напряженностью поля сторонних сил E с т:
E с т = - m e d υ d t .
То есть при торможении катушки происходит возникновение электродвижущей силы δ , равной δ = E с т l = m e d υ d t l , где l – длина проволоки катушки. Определенный промежуток времени процесса торможения катушки обусловлен протеканием по цепи заряда q:
q = ∫ I d t = 1 R ∫ δ d t = m e l υ 0 R .
Данная формула объясняет, что l – это мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, υ 0 – начальная линейная скорость проволоки. Видно, что определение удельного заряда e m в металлах производится, исходя из формулы:
e m = l υ 0 R q .
Величины, находящиеся с правой стороны, можно измерить. Основываясь на результатах опытов Толмена и Стюарта, установили, что носители свободного заряда имеют отрицательный знак, а отношение носителя в его массе близко по значению удельного заряда электрона, получаемого в других опытах. Было выявлено, что электроны – это носители свободных зарядов.
Современные данные показывают, что модуль заряда электрона, то есть элементарный заряд, равняется e = 1 , 60218 · 10 - 19 К л, а обозначение его удельного заряда – e m = 1 , 75882 · 10 11 К л / к г.
При наличии отличной концентрации свободных электронов есть смысл говорить о хорошей электропроводимости металлов. Это выявили еще перед опытами Толмена и Стюарта. В 1900 году П. Друде, основываясь на гипотезе о существовании свободных электронов в металлах, создал электронную теорию проводимости металлов. Ее развил и расширил Х. Лоренц, после чего она получила название классическая электронная теория. На ее основании поняли, что электроны ведут себя как электронный газ, похожий на идеальный по своему состоянию. Рисунок 1 . 12 . 2 показывает, каким образом 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.
Определение 2После взаимодействия электронов с ионами первые покидают металл, преодолевая только потенциальный барьер.
Высота такого барьера получила название работы выхода .
Наличие комнатной температуры не позволяет электронам проходить этот барьер. Потенциальная энергия выхода электрона после взаимодействия с кристаллической решеткой намного меньше, чем при удалении электрона из проводника.
Определение 3
Расположение е в проводнике характеризуется наличием потенциальной ямы, глубина которой получила название потенциального барьера .
Ионы, образующие решетку, и электроны принимают участие в тепловом движении. Благодаря тепловым колебаниям ионов вблизи положений равновесий и хаотичному движению свободных электронов, при столкновении первых со вторыми происходит усиление термодинамического равновесия между электронами и решеткой.
Теорема 1
По теории Друде-Лоренца имеем, что электроны имеют такую же среднюю энергию теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это делает возможным оценивание средней скорости υ т ¯ теплового движения электронов, используя молекулярно-кинетическую теорию.
Комнатная температура дает значение, равное 10 5 м / с.
Если наложить внешнее электрическое поле в металлический проводник, тогда произойдет тепловое упорядоченное движения электронов (электрический ток), то есть дрейф. Определение средней его скорости υ д ¯ выполняется по интервалу имеющегося времени ∆ t через поперечное сечение S проводника электронов, которые находятся в объеме S υ д ∆ t .
Количество таких е равняется n S υ д ∆ t , где n принимает значение средней концентрации свободных электронов, равняющейся числу атомов в единице объема металлического проводника. За имеющееся количество времени ∆ t через сечение проводника проходит заряд ∆ q = e n S υ д ∆ t .
Тогда I = ∆ q ∆ t = e n S υ д или υ д = I e n S .
Концентрация n атомов в металлах находится в пределах 10 28 - 10 29 м - 3 .
Формула дает возможность оценить среднюю скорость υ д ¯ упорядоченного движения электронов со значением в промежутке 0 , 6 - 6 м м / с для проводника с сечением 1 м м 2 и проходящим током в 10 А.
Определение 4
Средняя скорость υ д ¯ упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше скорости υ т их теплового движения υ д ≪ υ т.
Рисунок 1 . 12 . 3 демонстрирует характер движения свободного е, находящегося в кристаллической решетке.
Рисунок 1 . 12 . 3 . Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа υ д ¯ ∆ t сильно преувеличены.
Наличие малой скорости дрейфа не соответствует опыту, когда ток всей цепи постоянного тока устанавливается мгновенно. Замыкание производится при помощи воздействия электрического поля со скоростью c = 3 · 10 8 м / с. По прошествии времени l c (l - длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля. В ней происходит упорядоченное движение электронов.
Классическая электронная теория металлов предполагает, что их движение подчинено законам механики Ньютона. Данная теория характеризуется тем, что происходит пренебрежение взаимодействием электронов между собой, а взаимодействие с положительными ионами расценивается как соударения, при каждом из которых e сообщает накопленную энергию решетке. Поэтому принято считать, что после соударения движение электрона характеризуется нулевой дрейфовой скоростью.
Абсолютно все выше предложенные допущения приближенные. Это дает возможность объяснения законов электрического тока в металлических проводниках, основываясь на электронной классической теории.
Закон Ома
Определение 5В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равняющаяся по модулю e E , в результате чего получает ускорение e m E .
Конец свободного пробега характеризуется дрейфовой скоростью электрона, которую определяют по формуле
υ д = υ д m a x = e E m τ .
Время свободного пробега обозначается τ . Оно способствует упрощению расчетов для нахождения значения всех электронов. Средняя скорость дрейфа υ д равняется половине максимального значения:
υ д = 1 2 υ д m a x = 1 2 e E m τ .
Если имеется проводник с длиной l , сечением S с концентрацией электронов n , тогда запись нахождения тока в проводнике имеет вид:
I = e n S υ д = 1 2 e 2 τ n S m E = e 2 τ n S 2 m l U .
U = E l – это напряжение на концах проводника. Формула выражает закон Ома для металлического проводника. Тогда электрическое сопротивление необходимо находить:
R = 2 m e 2 n τ l S .
Удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются как:
ρ = 2 m e 2 n τ ; ν = 1 ρ = e 2 n τ 2 m .
Закон Джоуля-Ленца
Конец пробега электронов под действием поля характеризуется кинетической энергией
1 2 m (υ д) m a x 2 = 1 2 e 2 τ 2 m E 2 .
Определение 6
Исходя из предположений, энергия при соударениях передается решетке, а в последствии переходит в тепло.
Время ∆ t каждого электрона испытывается ∆ t τ соударений. Проводник с сечение S и длиной l имеет n S l электронов. Тогда выделившееся тепло в проводнике за ∆ t равняется
∆ Q = n S l ∆ t τ e 2 τ 2 2 m E 2 = n e 2 τ 2 m S l U 2 ∆ t = U 2 R ∆ t .
Данное соотношение выражает закон Джоуля-Ленца .
Благодаря классической теории, имеет место трактовка существования электрического сопротивления металлов, то есть законы Ома и Джоуля-Ленца. Классическая электронная теория не в состоянии ответить на все вопросы.
Она не способна объяснить разницу в значении молярной теплоемкости металлов и диэлектрических кристаллов, равняющейся 3 R , где R записывается как универсальная газовая постоянная. Теплоемкость металла не зависит от количества свободных электронов.
Классическая электронная теория не объясняет температурную зависимость удельного сопротивления металлов. По теории ρ ~ T , а исходя из экспериментов – ρ ~ T . Примером расхождения теории с практикой служит сверхпроводимость.
Исходя из классической теории, удельное сопротивление металлов должно постепенно уменьшаться при понижении температуры, причем остается конечным при любой T . Данная зависимость характерна для проведения опытов при высоких температурах. Если T достаточно низкая, тогда удельное сопротивление металлов теряет зависимость от температуры и достигает предельного значения.
Особый интерес представило явление сверхпроводимости. В 1911 году его открыл Х. Каммерлинг-Оннес.
Теорема 2
Если имеется определенная температура T к р, различная для разных веществ, тогда удельное сопротивление уменьшается до нуля с помощью скачка, как изображено на рисунке 1 . 12 . 4 .
Пример 1
Критической температурой для ртути считается значение 4 , 1 К, для алюминия – 1 , 2 К, для олова – 3 , 7 К. Наличие сверхпроводимости может быть не только у элементов, но и у химических соединений и сплавов. Ниобий с оловом Ni 3 Sn имеют критическую точку температуры в 18 К. Существуют вещества, которые при низкой температуре переходят в сверхпроводящее состояние, тогда как в обычных условиях ими не являются. Серебро и медь являются проводниками, но при понижении температуры сверхпроводниками не становятся.
Рисунок 1 . 12 . 4 . Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник.
Сверхпроводящее состояние говорит об исключительных свойствах вещества. Одним из важнейших является способность на протяжении длительного времени поддерживать электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи, без затухания.
Классическая электронная теория не может объяснить сверхпроводимость. Это стало возможным спустя 60 лет после его открытия, основываясь на квантово-механических представлениях.
Рост интереса к данному явлению увеличивался по мере появления новых материалов, способных обладать высокими критическими температурами. В 1986 было обнаружено сложное соединение с температурой T к р = 35 К. На следующий год сумели создать керамику с критической Т в 98 К, которая превышала Т жидкого азота (77 К) .
Определение 7
Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при Т, превышающих температуру кипения жидкого азота, называют высокотемпературной сверхпроводимостью .
Позже в 1988 году создали Tl - Ca - Ba - Cu - O соединение с критической Т, достигающей 125 К. На данный момент ученые заинтересованы в поиске новых веществ с наиболее высокими значениями T к р. Они рассчитывают на получение сверхпроводящего вещества при комнатной температуре. Если это будет сделано, произойдет революция в науке и технике. До настоящего времени все свойства и механизмы состава сверхпроводимых керамических материалов до конца не исследованы.
Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
Разработка урока
физики в 8 классе на тему «Электрический ток в металлах. Действия электрического тока. Направление тока».
Учитель физики МОУ «Средняя школа №1»
г. Сухиничи
Мовсесян Р.Г.
Цели урока:
Дидактические:
создать условия для усвоения нового учебного материала, используя методику проблемного обучения, научить учащихся, работая в группах, достигать общую цель.
Общеобразовательные:
сформировать понятие о природе электрического тока в металлах и его направлении. В процессе экспериментальной работы выяснить, какие действия способен совершать электрический ток. Познакомить учащихся с техникой безопасности при работе с электрическими приборами. Показать практическую направленность изучаемого материала.
Развивающие:
Развивать логическое мышление, формировать представление о процессе научного познания.
Воспитательная:
Вырабатывать умение слушать и быть услышанным, прививать культуру умственного труда.
Оборудование, используемое на уроке:
Соединительные провода, ключи, магниты, штативы, резистор, лампочка на подставке, термометр, проволока, проволочный моток, тесты, компьютер,
Ход урока:
2. Фронтальный опрос (слайд № 2-№6 презентации ).
3. Сообщение темы и цели урока.
4. Подготовка к восприятию нового материала:
1) Как можно избежать действия электрического тока при случайном прикосновении к электрическому прибору, который оказался под напряжением? (заземлением ).
2) Из каких материалов выполняется заземление? (из металлов ).
На вопрос: «Почему предпочитают именно эти вещества?» мы и ответим после изучения новой темы: «Электрический ток в металлах». (Учащиеся записывают тему урока, высвеченную на экране, в свои рабочие тетради).
5. Объяснение нового материала:
Самое раннее определение металла было дано в середине 18 века М.В.Ломоносовым. «Металлом называется светлое тело, которое ковать можно. Таких тел только 6: золото, серебро, медь, олово. Железо и свинец».
Спустя 2,5 века многое стало известно о металлах. К числу металлов относятся 75% элементов Периодической таблицы Менделеева.
(слайд №7 ) В 1899 г. Рикке на трамвайной подстанции в Штутгарте включил в главный провод, питающий трамвайные линии, последовательно друг к другу торцами три тесно прижатых цилиндра: 2 крайних были медными, а средний- алюминиевым. Через эти цилиндры более года проходил электрический ток, но Рикке не обнаружил в меди атомов алюминия, а в алюминии – нет меди, т.е.диффузия не произошла. Следовательно, ионы не перемещаются, а перемещаются только электроны, одинаковые у всех веществ. Об этом свидетельствует опыт Мандельштама- Папалакси. ( ).
Электрический ток в металлах:
Металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. В узлах кристаллической решетки металлов расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся электроны. Электроны не связаны с ядрами своих атомов и движутся беспорядоченно, поэтому их называют свободными. Отрицательный заряд всех свободных электронов по величине равен положительному заряду всех ионов решетки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален. Если в металлах создать электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно под действием электрических сил. Возникает электрический ток. Все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника, но между ними сохраняется беспорядоченное движение (стайка мошкары, движущейся в сторону ветра).
Электрический ток в металлах - это упорядоченное движение свободных электронов.
Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля мала (несколько миллиметров в секунду). Но почему при замыкании электрической цепи лампочка загорается мгновенно?
Т.к. в металлах электрический ток- это направленное движение электронов и мы, в основном, будем сталкиваться с ним, то за направление электрического тока принимается именно направление движения электронов в проводнике, т.е. направление от – полюса источника тока к +. Электрический ток в электролитах - это упорядоченное движение положительных и отрицательных ионов.
Т.к. направление движения электрического тока было принято задолго до открытия свободных электронов, то за направление тока условно принимается движение заряженных частиц от + к - источника вне его. (слайд №8)
Увидеть движение электронов в металлах увидеть мы не можем, поэтому судить о них мы можем только по различным явлениям, которые называют действием электрического тока.
Учащимся предлагается изучить действия тока при проведении ими экспериментов. Работа ведется в группах по предложенной схеме. Перед началом работы учащиеся знакомятся с техникой безопасности (слайд №9 ) и каждая группа (их 5) выполняет предложенное задание. По окончании работ учащиеся знакомятся с электролизом, механическим и др. действиями тока, представленными на экране учителем.( )
6. Групповая работа по карточкам, отчёты групп, систематизация выводов в таблице на доске и в рабочих тетрадях.
7. Проверка усвоения нового материала.
8. Закрепление изученного материала с помощью тестовых заданий, где количество правильных ответов будет соответствовать оценке.
9. Подведение итогов урока.
10. Выставление оценок учащимся.
11. Домашнее задание : § 34,35,36 , решение задач Лукашик В.И. № 1008- 1012
Тема. Электрический ток в металлах
Цели урока: сформировать понятие о природе электрического тока в металлах и его направлении; выяснить, какие действия способен совершать электрический ток; показать практическую направленность изучаемого материала; формировать научно-материалистическое мировоззрение, развивать логическое мышление, формировать представление о процессе научного познания; вырабатывать умение слушать и быть услышанным, прививать культуру умственного труда, воспитывать чувства гордости и уважения к людям, внесшим вклад в развитие науки
Тип урока: урок усвоения новых знаний
Ход урока
Организационный момент в виде слайд – шоу под стихотворение В. Шефнера
Я еще не устал удивляться
Чудесам, что есть на земле, -
И компьютеру на столе.
Самолеты летят сквозь тучи,
Ходят по морю корабли, -
Как до этих вещей могучих
Домечтаться люди смогли?
Как придумать могли такое,
Что кассета нам песню поет,
Что на кнопку нажмешь рукою –
И средь ночи день настает.
Я вверяю себя трамваю,
Я гляжу на экран кино.
Эту технику понимая,
Изумляюсь я все равно.
Ток по проволоке струится,
Спутник ходит по небесам…
Человеку стоит дивиться
Человеческим чудесам.
Актуализация опорных знаний
Что такое электрический ток?
Перечислите условия существования электрического тока.
Какие вещества называют проводниками электричества?
Что такое источник тока? Каково его назначение?
Изложение нового материала
Все металлы являются проводниками электрического тока и в твердом состоянии имеют кристаллическое строение.
Из курса химии вам известно, что валентные электроны в металлах легко покидают свой атом и становятся свободными. В узлах кристаллической решётки металлов расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся электроны. Электроны не связаны с ядрами своих атомов и движутся беспорядочно, поэтому их называют свободными. В свою очередь, свободные электроны в металлах называют электронным газом.
В металлах электронная проводимость
Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален.
Если в металлах создать электрическое поле, то свободные электроны продолжат двигаться хаотически и будут смещаться в сторону положительного полюса источника тока. Затем движение электронов становится направленным и возникает электрический ток.
Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение свободных электронов
Опыт русских учёных Мандельштама и Папалекси, проведенный ими в 1913 году, экспериментально показал, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов.
Л. И. Мандельштам (1879-1949; основатель школы радиофизиков) и Н. Д. Папалекси (1880 - 1947; крупнейший советский физик, академик, председатель Всесоюзного научного совета по радиофизике и радиотехнике при АН СССР) в 1913 году поставили оригинальный опыт по установлению природы тока в металлах.
Взяли катушку с проводом и стали крутить ее в разные стороны. Раскрутят, к примеру, по часовой стрелке, потом резко остановят и - назад.
Рассуждали они примерно так: если металлический проводник привести в быстрое движение, а затем резко остановить, то, когда катушка внезапно останавливается, электроны еще некоторое время должны двигаться по инерции. В результате в проводнике возникнет кратковременный ток, который можно зафиксировать гальванометром. По отклонению стрелки прибора можно установить знак заряда движущихся частиц, а по отношению заряда частиц к их массе – установить, какие именно частицы создают ток.
Движение электронов по проводу - электрический ток. Как задумали, так и получилось. Подсоединили к концам провода телефон и услышали звук. Раз в телефоне слышен звук, следовательно, через него ток протекает.
Опыт Мандельштама и Папалекси в 1916 году повторили американские ученые Толмен и Стюарт. Они тоже крутили катушку, но вместо телефона к ее концам подсоединили прибор для измерения заряда. Им удалось измерить массу частицы. Данные Толмена и Стюарта потом много раз проверялись и уточнялись другими учеными, и теперь вы знаете, что масса электрона
m e = 9, 1 ∙ 10 -31 кг
Удельный заряд электрона, то есть заряд, приходящийся на единицу массы,
Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля мала (несколько мм в секунду).
Но почему при замыкании электрической цепи лампочка загорается практически мгновенно?
Оказывается электрическое поле распространяется с огромной скоростью (близкой к с = 300 000 км/с) по всей длине проводника. Под действием электрического поля в упорядоченное движение приходят свободные электроны, находящиеся не только в подводящих проводниках, но и в спирали самой лампы.
Поэтому, когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.
Основные характеристики тока в металлах (проводниках):
а) сила тока в проводнике
I = envS где e = 1,6 ∙ 10 -19 Кл – модуль
заряда электрона
n – концентрация электронов
v
≈ 10 4 
- c
редняя скорость
электронов
S - площадь поперечного
сечения проводника
б) вольт-амперная характеристика (зависимость силы тока в
проводнике от напряжения)
I
= 
в) зависимость сопротивления проводника от температуры
В опыте, о котором мы сегодня говорили, после остановки проводника направленное движение частиц быстро прекращается, потому что проводник оказывает току сопротивление. Сопротивление металлического проводника зависит не только от его геометрических размеров и вещества, но и от температуры. Это можно подтвердить таким опытом. Если соединить стальную спираль с источником тока и постепенно нагревать её, то при постоянном напряжении сила тока будет уменьшаться. Это говорит о том, что сопротивление спирали возрастает.
R
= R
0 (1 + 
t
) где R
0 – сопротивление до
нагревания
- изменение температуры
α -температурный коэффициент
сопротивления
Если провести этот же опыт с другими спиралями, то можно заметить, что при увеличении температуры сопротивление этих спиралей тоже увеличивается, но его изменение будет другим.
Зная, как зависит сопротивление металлического проводника от температуры, измеряв сопротивление, можно определить температуру проводника. Этот факт положен в основу работы так называемых термометров сопротивления.
Вопрос учащимся:
Где применяется электрический ток в металлах? (Проводники для передачи электроэнергии на расстояние, сердечник трансформатора для преобразования электрической энергии, трубы для предотвращения коррозии, спираль лампы для освещения, спираль ТЭНа для нагрева, и т. д.)
Работа с учебником (стр. 103 п.3)
В чём заключается явление сверхпроводимости?
Итог урока
Каков характер движения электронов в металлах при отсутствии электрического поля?
А при наличии электрического поля?
Что представляет собой электрический ток в металлах?
Как была доказана природа электрического тока в металлах?
От чего зависит сопротивление металлов?
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
Электрический ток в цепи всегда проявляется каким-нибудь своим действием. Это может быть как работа в определенной нагрузке, так и сопутствующее действие тока. Таким образом, по действию тока можно судить о его наличии или отсутствии в данной цепи: если нагрузка работает - ток есть. Если типичное сопутствующее току явление наблюдается - ток в цепи есть, и т. д.
Вообще, электрический ток способен вызывать различные действия: тепловое, химическое, магнитное (электромагнитное), световое или механическое, причем разного рода действия тока зачастую проявляются одновременно. Об этих явлениях и действиях тока и пойдет речь в данной статье.
Тепловое действие электрического тока
При прохождении постоянного или переменного электрического тока по проводнику, проводник нагревается. Такими нагревающимися проводниками в разных условиях и приложениях могут выступать: металлы, электролиты, плазма, расплавы металлов, полупроводники, полуметаллы.
В простейшем случае, если, скажем, через нихромовую проволоку пропустить электрический ток, то она нагреется. Данное явление используется в нагревательных приборах: в электрочайниках, в кипятильниках, в обогревателях, электроплитках и т. д. В электродуговой сварке температура электрической дуги вообще доходит до 7000°С, и металл легко плавится, - это тоже тепловое действие тока.
Выделяемое на участке цепи количество теплоты зависит от приложенного к этому участку напряжения, значения протекающего тока и от времени его протекания ().
Преобразовав закон Ома для участка цепи, можно для вычисления количества теплоты использовать либо напряжение, либо силу тока, но тогда обязательно необходимо знать и сопротивление цепи, ведь именно оно ограничивает ток, и вызывает, по сути, нагрев. Или, зная ток и напряжение в цепи, можно так же легко найти количество выделяемой теплоты.
Химическое действие электрического тока
Электролиты, содержащие ионы, под действием постоянного электрического тока - это и есть химическое действие тока. К положительному электроду (аноду) в процессе электролиза притягиваются отрицательные ионы (анионы), а к отрицательному электроду (катоду) - положительные ионы (катионы). То есть вещества, содержащиеся в электролите, в процессе электролиза выделяются на электродах источника тока.
Например, в раствор определенной кислоты, щелочи или соли погружают пару электродов, и при пропускании электрического тока по цепи на одном электроде создается положительный заряд, на другом - отрицательный. Ионы содержащиеся в растворе начинают откладываться на электроде с противоположным зарядом.
Скажем, при электролизе медного купороса (CuSO4), катионы меди Cu2+ с положительным зарядом движутся к отрицательно заряженному катоду, где они получают недостающий заряд, и становятся нейтральными атомами меди, оседая на поверхности электрода. Гидроксильная группа -OH отдаст электроны на аноде, и в результате выделится кислород. Положительно заряженные катионы водорода H+ и отрицательно заряженные анионы SO42- останутся в растворе.
Химическое действие электрического тока используется в промышленности, например, для разложения воды на составляющие ее части (водород и кислород). Также электролиз позволяет получать некоторые металлы в чистом виде. С помощью электролиза покрывают тонким слоем определенного металла (никеля, хрома) поверхности - это и т.д.
В 1832 году Майкл Фарадей установил, что масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит. Если через электролит пропускается в течение времени t постоянный ток I, то справедлив первый закон электролиза Фарадея:
Здесь коэффициент пропорциональности k называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда, и зависит от химической природы вещества.
При наличии электрического тока в любом проводнике (в твердом, жидком или газообразном) наблюдается магнитное поле вокруг проводника, то есть проводник с током приобретает магнитные свойства.
Так, если к проводнику, по которому течет ток, поднести магнит, например в виде магнитной стрелки компаса, то стрелка повернется перпендикулярно проводнику, а если намотать проводник на железный сердечник, и пропустить по проводнику постоянный ток, то сердечник станет электромагнитом.
В 1820 году Эрстед открыл магнитное действие тока на магнитную стрелку, а Ампер установил количественные закономерности магнитного взаимодействия проводников с током.
Магнитное поле всегда порождается током, то есть движущимися электрическими зарядами, в частности - заряженными частицами (электронами, ионами). Противоположно направленные токи взаимно отталкиваются, однонаправленные токи взаимно притягиваются.
Такое механическое взаимодействие происходит благодаря взаимодействию магнитных полей токов, то есть это, в первую очередь, - магнитное взаимодействие, а уж потом - механическое. Таким образом, магнитное взаимодействие токов первично.
В 1831 году, Фарадей установил, что изменяющееся магнитное поле от одного контура порождает ток в другом контуре: генерируемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Логично, что именно магнитное действие токов используется по сей день и во всех трансформаторах, а не только в электромагнитах (например, в промышленных).
В простейшем виде световое действие электрического тока можно наблюдать в лампе накаливания, спираль которой разогревается проходящим через нее током до белого каления и излучает свет.
Для лампы накаливания на световую энергию приходится около 5% от подведенной электроэнергии, остальные 95% которой преобразуется в тепло.
Люминесцентные лампы более эффективно преобразуют энергию тока в свет - до 20% электроэнергии преобразуется в видимый свет благодаря люминофору, принимающему от электрического разряда в парах ртути или в инертном газе типа неона.
Более эффективно световое действие электрического тока реализуется в светодиодах. При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда - электроны и дырки - рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Лучшие излучатели света относятся к прямозонным полупроводникам (то есть к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), например GaAs, InP, ZnSe или CdTe. Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS). КПД светодиода как источника света доходит в среднем до 50%.
Как было отмечено выше, каждый проводник, по которому течет электрический ток, образует вокруг себя . Магнитные действия превращаются в движение, например, в электродвигателях, в магнитных подъемных устройствах, в магнитных вентилях, в реле и т. д.
Механическое действие одного тока на другой описывает закон Ампера. Впервые этот закон был установлен Андре Мари Ампером в 1820 для постоянного тока. Из следует, что параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных - отталкиваются.
Законом Ампера называется также закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок проводника с током. Сила, с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна току в проводнике и векторному произведению элемента длины проводника на магнитную индукцию.
На этом принципе основана , где ротор играет роль рамки с током, ориентирующейся во внешнем магнитном поле статора вращающим моментом M.
