Меню

Как образуются носители тока в металлах

Электрический ток в металлах

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: носители свободных электрических зарядов в металлах.

В этом листке мы приступаем к подробному изучению того, как осуществляется прохождение электрического тока в различных проводящих средах — твёрдых телах, жидкостях и газах.

Напомним, что необходимым условием возникновения тока является наличие в среде достаточно большого количества свободных зарядов, которые могут начать упорядоченное движение под действием электрического поля. Такие среды как раз и называются проводниками электрического тока.

Наиболее широко распространены металлические проводники. Поэтому начинаем мы с вопросов распространения электрического тока в металлах.

Мы много раз говорили о свободных электронах, которые являются носителями свободных зарядов в металлах. Вам хорошо известно, что электрический ток в металлическом проводнике образуется в результате направленного движения свободных электронов.

Свободные электроны

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическую структуру: расположение атомов в пространстве характеризуется периодической повторяемостью и образует геометрически правильный рисунок, называемый кристаллической решёткой.

Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, расположенных на внешней электронной оболочке. Эти валентные электроны слабо связаны с ядром, и атом легко может их потерять.

Когда атомы металла занимают места в кристаллической решётке, валентные электроны покидают свои оболочки — они становятся свободными и отправляются «гулять» по всему кристаллу (а именно, свободные электроны перемещаются по внешним орбиталям соседних атомов. Эти орбитали перекрываются друг с другом вследствие близкого расположения атомов в кристаллической решётке, так что свободные электроны оказываются «общей собственностью» всего кристалла). В узлах кристаллической решётки металла остаются положительные ионы, пространство между которыми заполнено «газом» свободных электронов (рис. 1 ).

Рис. 1. Свободные электроны

Свободные электроны и впрямь ведут себя подобно частицам газа (другой адекватный образ — электронное море, которое «омывает» кристаллическую решётку) — совершая тепловое движение, они хаотически снуют туда-сюда между ионами кристаллической решётки. Суммарный заряд свободных электронов равен по модулю и противоположен по знаку общему заряду положительных ионов, поэтому металлический проводник в целом оказывается электрически нейтральным.

Газ свободных электронов является «клеем», на котором держится вся кристаллическая структура проводника. Ведь положительные ионы отталкиваются друг от друга, так что кристаллическая решётка, распираемая изнутри мощными кулоновскими силами, могла бы разлететься в разные стороны. Однако в тоже самое время ионы металла притягиваются к обволакивающему их электронному газу и, как ни в чём не бывало, остаются на своих местах, совершая лишь тепловые колебания в узлах кристаллической решётки вблизи положений равновесия.

Что произойдёт, если металлический проводник включить в замкнутую цепь, содержащую источник тока? Свободные электроны продолжают совершать хаотическое тепловое движение, но теперь — под действием возникшего внешнего электрического поля — они вдобавок начнут перемещаться упорядоченно. Это направленное течение электронного газа, накладывающееся на тепловое движение электронов, и есть электрический ток в металле (поэтому свободные электроны называются также электронами проводимости). Скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике, как нам уже известно, составляет приблизительно 0,1мм/с.

Опыт Рикке

Почему мы решили, что ток в металлах создаётся движением именно свободных электронов? Положительные ионы кристаллической решётки также испытывают на себе действие внешнего электрического поля. Может, они тоже перемещаются внутри металлического проводника и участвуют в создании тока?

Упорядоченное движение ионов означало бы постепенный перенос вещества вдоль направления электрического тока. Поэтому надо просто пропускать ток по проводнику на протяжении весьма длительного времени и посмотреть, что в итоге получится. Такого рода эксперимент и был поставлен Э.Рикке в 1901 году.

В электрическую цепь были включены три прижатых друг к другу цилиндра: два медных по краям и один алюминиевый между ними (рис. 2 ). По этой цепи пропускался электрический ток в течение года.

Рис. 2. Опыт Рикке

За год сквозь цилиндры прошёл заряд более трёх миллионов кулон. Предположим, что каждый атом металла теряет по одному валентному электрону, так что заряд иона равен элементарному заряду Кл. Если ток создаётся движением положительных ионов, то нетрудно подсчитать (сделайте это сами!), что такая величина прошедшего по цепи заряда соответствует переносу вдоль цепи около 2кг меди.

Однако после разъединения цилиндров было обнаружено лишь незначительное проникновение металлов друг в друга, обусловленное естественной диффузией их атомов (и не более того). Электрический ток в металлах не сопровождается переносом вещества, поэтому положительные ионы металла не принимают участия в создании тока.

Опыт Стюарта–Толмена

Прямое экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создаётся движением свободных электронов, было дано в опыте Т.Стюарта и Р.Толмена (1916 год).

Эксперименту Стюарта–Толмена предшествовали качественные наблюдения, сделанные четырьмя годами ранее русскими физиками Л.И.Мандельштамом и Н.Д.Папалекси. Они обратили внимание на так называемый электроинерционный эффект: если резко затормозить движущийся проводник, то в нём возникает кратковременный импульс тока. Эффект объясняется тем, что в течение небольшого времени после торможения проводника его свободные заряды продолжают двигаться по инерции.

Однако никаких количественных результатов Мандельштам и Папалекси не получили, и наблюдения их опубликованы не были. Честь назвать опыт своим именем принадлежит Стюарту и Толмену, которые не только наблюдали указанный электроинерционный эффект, но и произвели необходимые измерения и расчёты.

Установка Стюарта и Толмена показана на рис. 3 .

Рис. 3. Опыт Стюарта–Толмена

Катушка большим числом витков металлического провода приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы обмотки с помощью скользящих контактов были подсоединены к специальному прибору — баллистическому гальванометру, который позволяет измерять проходящий через него заряд.

После резкого торможения катушки в цепи возникал импульс тока. Направление тока указывало на то, что он вызван движением отрицательных зарядов. Измеряя баллистическим гальванометром суммарный заряд, проходящий по цепи, Стюарт и Толмен вычислили отношение заряда одной частицы к её массе. Оно оказалось равно отношению для электрона, которое в то время уже было хорошо известно.

Читайте также:  Формула закона ома для цепи переменного тока с активным сопротивлением имеет вид

Так было окончательно выяснено, что носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны. Как видите, этот давно и хорошо знакомый вам факт был установлен сравнительно поздно — учитывая, что металлические проводники к тому моменту уже более столетия активно использовались в самых разнообразных экcпериментах по электромагнетизму (сравните, например, с датой открытия закона Ома — 1826 год. Дело, однако, заключается в том, что сам электрон был открыт лишь в 1897 году).

Зависимость сопротивления от температуры

Опыт показывает, что при нагревании металлического проводника его сопротивление увеличивается. Как это объяснить?

Причина проста: с повышением температуры тепловые колебания ионов кристаллической решётки становятся более интенсивными, так что число соударений свободных электронов с ионами возрастает. Чем активнее тепловое движение решётки, тем труднее электронам пробираться сквозь промежутки между ионами (Представьте себе вращающуюся проходную дверь. В каком случае труднее проскочить через неё: когда она вращается медленно или быстро? :-)). Скорость упорядоченного движения электронов уменьшается, поэтому уменьшается и сила тока (при неизменном напряжении). Это и означает увеличение сопротивления.

Как опять-таки показывает опыт, зависимость сопротивления металлического проводника от температуры с хорошей точностью является линейной:

Здесь — сопротивление проводника при . График зависимости (1) является прямой линией (рис. 4 ).

Множитель называется температурным коэффициентом сопротивления. Его значения для различных металлов и сплавов можно найти в таблицах.

Длина проводника и его площадь поперечного сечения при изменении температуры меняются несущественно. Выразим и через удельное сопротивление:

и подставим эти формулы в (1) . Получим аналогичную зависимость удельного сопротивления от температуры:

Коэффициент весьма мал (для меди, например, ), так что температурной зависимостью сопротивления металла часто можно пренебречь. Однако в ряде случаев считаться с ней приходиться. Например, вольфрамовая спираль электрической лампочки раскаляется до такой степени, что её вольт-амперная характеристика оказывается существенно нелинейной.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика лампочки

Так, на рис. 5 приведена вольт-амперная характеристика автомобильной лампочки. Если бы лампочка представляла собой идеальный резистор, её вольт-амперная характеристика была прямой линией в соответствии с законом Ома. Эта прямая изображена синим пунктиром.

Однако по мере роста напряжения, приложенного к лампочке, график отклоняется от этой прямой всё сильнее и сильнее. Почему? Дело в том, что с увеличением напряжения ток через лампочку возрастает и больше разогревает спираль; сопротивление спирали поэтому также увеличивается. Следовательно, сила тока хотя и продолжит возрастать, но будет иметь всё меньшее и меньшее значение по сравнению с тем, которое предписывается «пунктирной» линейной зависимостью тока от напряжения.

Источник

Свободные носители электрического заряда в металлах.

Электрический ток в металлах обуславливается упорядоченным движением свободных электронов (электронов проводимости). Положительно заряженные ионы не принимают участия в переносе заряда.

Электронную природу носителей тока в металлах объясняют таким образом:

Свободные носители электрического заряда в металлах

Кристаллическая решетка металла состоит из положительных ионов, которые расположены в узлах решетки, и электронов, которые свободно передвигаются между узлами. Эти электроны — являются валентными электронами атомов металла, которое оставили свои атомы. Свободные электроны беспорядочно двигаются по кристаллу, «не помня» уже, какому атому они принадлежали. Их также называют электронным газом. Естественно, при этом сумма положительных зарядов ионов решетки равняется суммарному отрицательному заряду свободных электронов, значит, металл остается незаряженным, или электронейтральным.

Не думайте, что под действием электрического тока все электроны в проводнике направляются в одном направлении. У них просто появляется преимущественное направление движения (вдоль поля), накладывающееся на хаотическое движение в отсутствие поля.

Свободные носители электрического заряда в металлах

Причем средняя скорость движения электронов составляет несколько миллиметров в секунду. Однако скорость распространения самого электрического поля — окло 3 · 10 8 м/с. С такой же скоростью распро­страняется электрический ток.

Здесь можно провести аналогию электрического тока с течением воды в водопроводе, а распространение электрического поля — с распространением давления воды. Вода в кране находится под давлением всего столба воды в водонапорной башне. Но из крана течет та вода, которая в нем была, а вода из башни дойдет до крана гораздо позднее, т. к. движение воды происходит с гораздо меньшей скоростью, чем распространение давления.

Существование свободных электронов в металлах доказано опытнм путем Л. И. Мандельшта­ма и Н. Д. Папалекси (качественно), Б. Стюартом и Р. Томсоном — с получением количественных результатов (1916 г.).

Свободные носители электрического заряда в металлах

Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки через специальные контакты замыкались на чувствительный гальванометр. После раскручивания катушки она резко тормози­лась специальным приспособлением. При этом гальванометр регистрировал кратковременный ток, направление которого указывало на отрицательный знак носителей заряда. В опыте были использованы инерционные свойства электронов: при резком торможении проводника они продолжали некоторое время двигаться (подобно пассажирам резко тормозящего вагона). Из этих опытов было определено отношение заряда к массе носителя то­ка, которое совпало с соответствующим значением для электрона (1,8 · 10 11 Кл/кг.)

Объяснить большинство свойств металлов, например, его электричес­ких свойств (закон Ома), озволяет электронная теория металлов. Клас­сическая электронная теория металлов основывается на представлении об электронах проводимости как об электронном газе, подобном иде­альному атомарному газу молекулярной физики. В этой теории счита­ется, что движение электронов подчиняется законам Ньютона, взаи­модействием между собой электронов пренебрегают, а взаимодействие с положительными ионами решетки сводят только к соударениям.

Что бы объяснить закон Ома основываясь на классической электронной теории металлов, нужно определить выражение для средней скорости v направленного упорядоченного движения электронов в электричес­ком поле с напряженностью Е и подставить в известную формулу для силы тока I:

где q = e — заряд электрона, n — концентрация электронов, S — площадь поперечного сечения проводника.

Читайте также:  Если ты ток в люблен а он тебе сказал нет

Электроны в металле, участвуя в тепловом движении, все время сталкиваются с ионами решетки. Т.к. масса электрона гораздо меньше массы иона, значит, после следующего столкновения все направления скорости равновероятны. Это значит, что начальная скорость после следующего столкновения может иметь любое направление и, значит, среднее значение вектора на­чальной скорости равняется нулю, и начальная скорость не влияет на среднюю скорость направленного движения электронов. Это позволяет считать, что средняя скорость упорядоченно­го движения электронов v равняется произведению ускорения на среднее время τ движения электро­на между двумя соударениями с ионами: v = а · τ. Применив второй закон Ньютона и выражение для напряженности электрического поля, получим:

Свободные носители электрического заряда в металлах

где F — сила, действующая на электрон со стороны поля, U — напряжение на концах проводника длиной L.

Теперь, подставляя полученное уравнение в выражение I = qnvS, имеем:

Свободные носители электрического заряда в металлах

.

Как можно увидеть из полученного выражения, сила тока является пропорциональной напряжению, как это и следует из закона Ома. Это следствие того, что средняя скорость направленного движения электронов прямо пропорциональна напряженности электрического поля в металле.

Но классическая электронная теория не может объяснить большинство эксперименталь­ных зависимостей, таких как, зависимость сопротивления от температуры. Это связано с тем, что движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики, а не классической механики Ньютона.

Источник

Электрический ток в металлах — причины возникновения и примеры применения

Откуда берётся ток

Следует отметить, что электрический ток может образоваться не только в металлическом проводнике, но и в других веществах. Например, атмосферная энергия появляется в дождевых облаках, но использовать её не представляется возможным. Для получения электричества, применяемого в хозяйственных нуждах, катушки медных генераторных установок, подходят идеально.

Электрический ток в металлах создаётся упорядоченным движением электронов. Термин «Электричество» впервые был введён Уильямом Гилбертом в XVI веке, но естествоиспытатель ограничился только получением электрических разрядов статического электричества. Два столетия спустя, Майкл Фарадей уже создал действующую модель динамо-машины, появление на свет которой обязано именно эффекту образования электричества в металлах.

Учёный усовершенствовал ранее известный физический опыт, при котором ток в металлах создавался движением магнитного поля вокруг статичного металлического объекта. Первый генератор представлял собой конструкцию, состоящую из вращающего постоянного магнита и медной катушки. Такая машина позволяла получить относительно небольшое напряжение в проводнике. В то время доподлинно ещё не было известно какими частицами создаётся ток в металлах. Только в 1913 году учёным удалось доказать электронную природу этого явления.

Проведение опытов по определению причин возникновения напряжения в металлах были начаты русскими учёными Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Спустя 3 года физики Р. Толмен и Б. Стюарт значительно усовершенствовали методику, что позволило провести количественные измерения.

Для получения точных результатов учёным пришлось создавать специальные машины, благодаря применению которых и удалось определить причину возникновения тока. Если кратко изложить суть экспериментов, проведённых с целью доказать электронную природу появления тока, то получится конспект следующего содержания:

  • Необходимо подготовить катушку, которая может вращаться вокруг своей оси.
  • Поставить изделие на твёрдую поверхность, например, на пол.
  • Выход проводников этой электрической машины подключить к гальванометру.
  • Раскрутить катушку (скорость вращения должна быть значительной).
  • Резко затормозить устройство.

В результате эксперимента возникает электрический импульс, который можно зарегистрировать измерительным прибором. Обусловить появление напряжения в цепи могло только наличие заряженных частиц, которые называются электронами. На эти элементы оказывает воздействие, как и на любое твёрдое тело, сила инерции, которая и заставляет их «выходить» из проводника после резкой остановки катушки.

Формула расчета

Точный расчёт удельного заряда (em) в металлах можно определить по следующей формуле:

Где:

  • l — сила тока, мгновенно возникающая в проводнике при остановке катушки;
  • u 0 — начальная линейная скорость витков проволоки;
  • R — сопротивление цепи;
  • q — заряд.

Проведение опытов Р. Толменом и Б. Стюартом позволили упорядочить ранее полученные сведения от других учёных. Несмотря на это, электрические проводники активно использовались в электрических изделиях с начала XIX века, доказательство электронной природы тока в металлах, позволило ускорить появление сложных устройств.

Применение этого явления

Сообщение о проведённых опытах быстро получило широкое распространение не только в научных кругах. Называть такое явление открытием века, конечно, было нельзя, но при расчёте схем приборов высокого класса точности, без учёта поведения электронов уже невозможно было обойтись.

Благодаря движению электронов в металлах удаётся зарядить аккумуляторы. Строительство линий электропередач также осуществляется с учётом движения электронов в металлах. В общем, практически любые электрические приборы работают на проводниках, в которых наличие этого явления обязательно.

Источник



Как образуются носители тока в металлах

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля.

Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов (опыт Толмена и Стьюарта):

Катушка с большим числом витков тонкой проволоки (рис. 9.1) приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру.Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся гальванометром.

При торможении вращающейся катушки на каждый носитель заряда e массой m действует тормозящая сила, которая играет роль сторонней силы, то есть силы неэлектрического происхождения:

Сторонняя сила, отнесенная к единице заряда, по определению является напряженностью поля сторонних сил:

Читайте также:  Регулируемые интегральные стабилизаторы тока

Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая сила:

За время торможения катушки по цепи протечет заряд q, равный:

где – длина проволоки катушки, I – мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, – начальная линейная скорость проволоки.

Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема.

Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще 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. 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 наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток. Величина дрейфовой скорости электронов лежит в пределах 0,6 – 6 мм/c. Таким образом, средняя скорость упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше средней скорости их теплового движения.

Малая скорость дрейфа не 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 (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.

Несмотря на то, что все эти допущения являются весьма приближенными, классическая электронная теория качественно объясняет законы электрического тока в металлических проводниках: закон Ома, закон Джоуля – Ленца и объясняет существование электрического сопротивления металлов.

Электрическое сопротивление проводника:

Однако в ряде вопросов классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом. Эта теория не может, например, объяснить, почему молярная теплоемкость металлов, также как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3R (закон Дюлонга и Пти). Классическая электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов: теория дает , в то время как из эксперимента получается зависимость ρ

Наиболее ярким примером расхождения теории и опытов является сверхпроводимость.

Зонная модель электронной проводимости металлов

Качественное различие между металлами и полупроводниками (диэлектриками) состоит в характере зависимости удельной проводимости от температуры. У металлов с ростом температуры проводимость падает, а у полупроводников и диэлектриков растет. При Т ® 0 К у чистых металлов проводимость s ® ¥. У полупроводников и диэлектриков при Т ® 0 К, s ® 0. Качественного различия между полупроводниками и диэлектриками в отношении электропроводности, нет.

Проявление у одних веществ металлических свойств, а у других полупроводниковых и диэлектрических может быть последовательно объяснено только в рамках квантовой теории.

Согласно квантовым представлениям, энергия электронов в атоме может изменяться дискретным образом. Причем, согласно принципу Паули, в одном квантовом состоянии может находиться не более одного электрона. В результате электроны не собираются на каком-то одном энергетическом уровне, а последовательно заполняют разрешенные энергетические уровни в атоме, формируя его электронные оболочки.

При сближении большого числа атомов и образовании кристаллической структуры химические связи между атомами образуются за счет электронов, находящихся во внешних, валентных, электронных оболочках.

Согласно принципу Паули, атомы не могут сбиться в плотную массу, поскольку в этом случае в одном квантовом состоянии оказалось бы много частиц с полуцелым спином — собственным моментом количества движения (L = ħ/2). Такие частицы называются фермионами, и к ним, в частности, относятся электроны, протоны, нейтроны. Названы они так в честь итальянского физика Э. Ферми, впервые описавшего особенности поведения коллективов таких частиц. При сближении большого числа атомов в пределах твердого тела происходит расщепление исходного энергетического уровня валентного электрона в атоме на N подуровней, где N — число атомов, образующих кристалл. В результате образуется зона разрешенных энергетических уровней для электронов в твердом теле (рис.9.2).

В металлах внешние валентные оболочки заполнены не полностью, например, у атомов серебра во внешней оболочке 5s 1 находится один электрон, в то время как, согласно принципу Паули, могло бы находиться два электрона с различными ориентациями спинов, но второго электрона во внешней оболочке атома серебра просто нет. При сближении N атомов Ag и расщеплении внешнего энергетического уровня 5s 1 1 на N подуровней каждый из них заполняется уже двумя электронами с различными ориентациями спинов. В результате при сближении N атомов серебра возникает энергетическая зона, наполовину заполненная электронами. Энергия, соответствующая последнему заполненному электронному уровню при 0 К, называется энергией Ферми eFkTg. Расстояние между соседними энергетическими уровнями DЕ очень мало, поскольку N очень велико, до .

1¸10 эВ, ΔЕ = eF/N 4 К – температура вырождения.

Источник