Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!
Електрическият ток в металите е подредено движение на свободни електрони. Прочетете повече за това по-късно в нашата статия.
Важно е да знаете
Както знаете, електрическият ток е подреден поток от носители на електрически заряд. Носителите са заредени частици, които могат да се движат свободно в тялото.
В случая на металите тези частици са електрони, които се освобождават, когато се образува връзка между метални атоми.
Известно е, че металите в твърдо състояние имат кристална структура. Частиците в кристалите са подредени в определен ред, образувайки пространствена решетка (кристал).
Накрая, кристалната решетка на метала се формира от положителни йони, потопени в "облак" от произволно движещи се така наречени свободни електрони, наричани още електрони на проводимост. В зависимост от валентността на металните атоми, един атом може да освободи от един до три електрона по време на образуването на метални връзки. Броят на така освободените електрони се превръща директно в броя на носителите на заряд. Това е един от факторите, влияещи върху способността на метала да провежда електричество.
Доказателство, че токът в металите се причинява от електрони, са експериментите на нашите местни физици Леонид Исаакович Манделщам и Николай Дмитриевич Папалекси, както и американските физици Балфур Стюарт и Робърт Толман.
Способността на метала да провежда електричество може да се опише чрез физическа величина, наречена електрическо съпротивление. Това физическо количество се обозначава с гръцката буква ρ (чете се като "ro" ).Единицата за съпротивление е Ohm m, т.е. ом продукт на метър. Съпротивлението е константа, която характеризира материала и има различни стойности за различните материали. Например съпротивлението на медта е 1,7210-8Ohm м. Това означава, че електрическото съпротивление на меден проводник с дължина 1 метър и площ на напречното сечение 1 m е 1,7210-8 Ом. Като цяло, колкото по-ниско е съпротивлението на даден материал, толкова по-добре той провежда електричество.
Таблицата по-долу показва някои примери за съпротивлението на често използвани метали.
| Метал | Съпротивление (Ohm m) |
| Сребро | 1.5910-8 |
| Мед | 1.7210-8 |
| Алуминий | 2.8210-8 |
| волфрам | 5.610-8 |
| Желязо | 1010-8 |
Електрическото съпротивление може да бъде свързано с микроскопичните свойства на материала. По-специално, това зависи от концентрацията на носители на заряд и тяхната подвижност.
Движението на свободните електрони в металите не е напълно „свободно“, тъй като по време на движението си те взаимодействат с други електрони и преди всичко с йони от кристалната решетка. Спецификата на това движение се описва от така наречения класически модел на проводимост.
Основните допускания и заключения на този модел са представени в голямо опростяване по-долу.
Класически модел на проводимост
Без външно електрическо поле електроните извършват топлинни хаотични движения, сблъсквайки се един с друг, а също и с йони от кристалната решетка. В резултат на такова движение средното положение на електроните практически не се променя (виж фиг. 1).
Ориз. 1. Пример за траекторията на електрон по време на неговото хаотично топлинно движение в метал
Поради квантовите ефекти и по-специално поради принципа на изключване на Паули, който не позволява на всички електрони да заемат най-ниското енергийно състояние, средната скорост на електроните в металите, свързана с произволното им топлинно движение, е по-голяма от скорост на частиците в класически идеален газ със същата температура. Това е около 10 m/s.
Ако се приложи електрическо напрежение U към краищата на проводник с дължина L, в него ще се появи електрическо поле със сила E=U / L
Под действието на това външно поле, съгласно втория закон на динамиката, електроните се ускоряват: a=F / m,
където F=eE е силата, с която електричното поле действа върху електрон със заряд e. Така ускорението на един електрон е: a=eE / m .
Ускореното движение на електрона продължава само сравнително кратко време, докато не се сблъска с йонот кристалната решетка.В резултат на такъв сблъсък електронът губи почти цялата си кинетична енергия. Забавеният електрон обаче не остава в покой - той отново се ускорява под въздействието на електрическото поле, отново се сблъсква с някой от йоните от йона на кристалната решетка и т.н. Този ефект добавя към скоростта на топлинните движения допълнителна насочена средна скорост u, която поради отрицателния заряд на електрона има посока, обратна на силата на външното електрическо поле. Тази скорост се нарича средна скорост на дрейф (Фигура 2).
Ориз. 2. Дрейф на електрони под действието на външно електрическо поле
В проводника започва да тече електрически ток със сила на тока I (виж Фигура 3).
Ориз. 3. Дрейфиращите електрони се сблъскват с йони от кристалната решетка
Ако приемем, че движението на електрона се ускорява равномерно между сблъсъците с решетъчните йони, с ускорение a=eE / m и приемем, че електронът предава цялата си кинетична енергия към кристалната решетка в резултат на сблъсъка, можем да изчислим скоростта, която развива един електрон при свободното си движение: v=aτ .В тази формула τ е средният интервал от време между последващи сблъсъци на движещ се електрон с йони от кристалната решетка.
Тъй като при равномерно ускорено движение без начална скорост, средната скорост е средноаритметичната стойност на началната (равна на нула) и крайната скорост, получаваме: u=v / 2=eEτ / 2m .
От получената формула следва, че скоростта на дрейфа, в допълнение към външното електрическо поле, се определя от средния интервал от време между сблъсъци на електрони с йони на решетката. Този параметър зависи от много фактори (включително температура, кристална структура на метала, дефекти в кристалната структура, примеси) и, както се оказва, значително влияе върху електрическото съпротивление на материала.
Средната скорост на дрейфа на електроните е около 10-4m/s. Тя е много малка в сравнение със скоростта на топлинното движение, която е около 106 m/s.
Класическата теория за проводимостта описва доста добре явлението електрическа проводимост в металите. Тази теория обаче не може да обясни експериментално наблюдаваната зависимост на електрическото съпротивление от температурата.
Причината за споменатия провал на класическата теория за проводимостта е, че тя не отчита влиянието на решетъчните йони върху движението на електроните между сблъсъци. По-реалистични резултати се получават от квантовата теория на проводимостта, която описва електроните като частици, обект на квантова статистика, движещи се в периодично електрическо поле, създадено от положителните йони на решетката.
Изводи на разбираем език
Абсолютната стойност на отрицателния заряд на всички свободни електрони е равна на положителния заряд на всички йони на решетката. Следователно при нормални условия металът е електрически неутрален. Свободните електрони в него се движат произволно. Но ако в метала се създаде електрическо поле, тогава свободните електрони ще започнат да се движат в посока под действието на електрически сили. Ще има електрически ток. В същото време произволното движение на електроните се запазва, точно както произволното движение се запазва в стадо мушици, когато под въздействието на вятъра се движи в една посока.
« Скоростта на движение на самите електрони в проводника под действието на електрическо поле е малка – няколко милиметра в секунда, а понякога и по-малко. Но веднага щом в проводника възникне електрическо поле, то се разпространява по цялата дължина на проводника с огромна скорост, близка до скоростта на светлината във вакуум (300 000 km / s). »
Перишкин А. В. Физика 8. - М .: Bustard, 2010
Като пример, електрически сигнал, изпратен например по кабел от Москва до Владивосток (s=8000 km), пристига там за около 0,03 s.
Едновременно с разпространението на електрическото поле всички електрони започват да се движат в една и съща посока по цялата дължина на проводника. Така например, когато веригата на електрическа лампа е затворена, електроните в спиралата на лампата също се движат по подреден начин.
Сравняването на електрическия ток с водния поток във водопроводната система и разпространението на електрическо поле с разпространението на водното налягане ще ни помогне да разберем това.Когато водата се издигне в резервоара за вода, налягането (налягането) на водата се разпространява много бързо в цялата водоснабдителна система. Когато пуснем крана, водата вече е под налягане и веднага започва да тече. Но водата, която е била в крана, тече и водата от кулата достига до крана много по-късно, защото водата се движи с по-бавна скорост от налягането.
Когато говорят за скоростта на разпространение на електрически ток в проводник, те имат предвид скоростта на разпространение на електрическо поле по протежение на проводник.