Электрический ток в металлах. Сверхпроводимость
Электрическая проводимость ( электропроводность) – – это физическая величина , обратная сопротивлению, характеризует свойство вещества проводить электрический ток.
R – сопротивление
1/ R – электрическая проводимость
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ
Носители свободных зарядов в металлах – свободные электроны, которые упорядоченно перемещаются вдоль проводника под действием эл.поля с постоянной средней скоростью (из-за тормозного действия положительно заряженных ионов кристаллической решетки).
Металлы обладают электронной проводимостью.
Зависимость сопротивления проводника R от температуры:
При нагревании размеры проводника меняются мало, а в основном меняется удельное сопротивление.
Удельное сопротивление проводника зависит от температуры:
где ро – удельное сопротивление при 0 градусов, t – температура,
– температурный коэффициент сопротивления ( т.е. относительное изменение удельного сопротивления проводника при нагревании его на один градус)
Для металлов и сплавов
Обычно для чистых металлов принимается
Таким образом, для металлических проводников с ростом температуры
увеличивается удельное сопротивление, увеличивается сопротивление проводника и уменьшается эл.ток в цепи.
Сопротивление проводника при изменении температуры можно рассчитать по формуле:
R = Ro ( 1 +
где Ro – сопротивление проводника при 0 градусов Цельсия
t – температура проводника
Открытие низкотемпературной сверхпроводимости: 1911г. – голландский ученый Камерлинг – Оннес
наблюдается при сверхнизких температурах (ниже 25 К) во многих металлах и сплавах;
при таких температурах удельное сопротивление этих веществ становится исчезающе малым.
В 1957 г. дано теоретическое объяснение явления сверхпроводимости: Купер (США), Боголюбов (СССР)
1957г. опыт Коллинза: ток в замкнутой цепи без источника тока не прекращался в течение 2,5 лет.
В 1986 г. открыта (для металлокерамики) высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).
Трудность достижения сверхпроводимости:
– необходимость сильного охлаждения вещества
Область применения:
– получение сильных магнитных полей;
– мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в ускорителях и генераторах.
В настоящий момент в энергетике существует большая проблема
– большие потери электроэнергии при передаче ее по проводам.
Возможное решение проблемы: при сверхпроводимости сопротивление проводников приблизительно равно 0 и потери энергии резко уменьшаются.
Вещество с самой высокой температурой сверхпроводимости
В 1988 г. США, при температуре –148°С было получено явление сверхпроводимости. Проводником служила смесь оксидов таллия, кальция, бария и меди.
Электрический ток в различных средах – Класс!ная физика
Электронная проводимость металлов. Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость —
Электрический ток в полупроводниках. Р-n переход. Полупроводниковые приборы —
Электрический ток в вакууме. Вакуумный диод. Электронно-лучевая трубка —
Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза —
Электрический ток в газах —
Контрольные вопросы к зачету по теме: Электрический ток в различных средах
Носители заряда
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 24 мая 2021 года; проверки требует 1 правка.
Примерами подвижных частиц являются электроны, ионы. Примером квазичастицы — носителя заряда является ион, другие заряженные частицы, например, позитроны.
Обычно термин «носители заряда» применяется в физике твёрдого тела и
физике полупроводников.
Электроны в металлахПравить
В металлах и веществах с металлическим типом проводимости, к которым относятся многие другие вещества — графит, многие карбиды и нитриды переходных металлов, носителями заряда являются электроны. В таких веществах один или несколько электронов внешних электронных оболочек атомов не связаны с окружающими атомами и могут упорядоченно перемещаться под действием электрического поля внутри кристалла или жидкости даже при температуре абсолютного нуля. Такие электроны называются электронами проводимости в телах с металлическим типом проводимости. Так как электроны имеют полуцелый спин, их совокупность подчиняется статистике Ферми — Дирака и обычно её называют электронным газом Ферми.
При отсутствии электрического поля электроны проводимости хаотически движутся в металле или расплаве в различных направлениях и электрический ток в теле равен нулю. Исключение составляет движение электронов проводимости в сверхпроводниках, в которых электроны могут двигаться упорядоченно и создавать электрический ток без приложения электрического поля.
При приложении электрического поля на хаотическое движение электронов накладывается упорядоченность — в теле возникает электрический ток. В практически достижимых электрических полях в металлах скорость упорядоченного движения электронов не превышает нескольких миллиметров в секунду, в то время как средняя скорость хаотического движения электронов имеет порядок нескольких сотен км/с.
Носители заряда в полупроводникахПравить
В полупроводниках носителями заряда являются электроны.
Для удобства описания процессов проводимости в полупроводниках вводят понятие квазичастицы — дырка — положительно заряженная частица с зарядом равным по модулю заряду электрона. Фактически дырка — это электрон, перескакивающий на свободную соседнюю вакансию в кристаллической решётке полупроводника. Макроскопически дырки ведут себя так как истинные положительно заряженные частицы, в частности знак ЭДС в эффекте Холла указывает на движение положительно заряженных частиц в дырочном полупроводнике.
По отношению концентраций электронов и дырок различают собственные полупроводники, в которых концентрация электронов и дырок равны, полупроводники с электронным типом проводимости или иначе называемые полупроводниками n-типа проводимости или просто n-типа с увеличенной по сравнению с дырками концентрацией электронов и полупроводники с дырочным типом проводимости называемые полупроводниками p-типа — с увеличенной концентрацией дырок.
Тип той или иной проводимости чистому полупроводнику придает легирующая примесь. Примеси, придающие полупроводнику электронный тип проводимости называют донорными примесями, а примеси придающие дырочный тип проводимости называют акцепторными примесями.
Чистые полупроводники и полупроводники с равной концентрацией акцепторных и донорных примесей, такие полупроводники называют компенсировнными полупроводниками образуют собственные полупроводники.
Электроны в полупроводнике n-типа называют основными носителями, а дырки — неосновными, в полупроводнике p-типа соответственно наоборот. Ток неосновных носителей играет важную роль в некоторых типах полупроводниковых приборов, например в биполярных транзисторах а активном режиме ток, протекающий через базовый слой, является током неосновных носителей.
Согласно зонной теории энергия электрона в кристаллической решётке полупроводника не может принимать произвольный ряд энергий, а только их энергии могут лежать в пределах определённых диапазонов — разрешенных зон, разделённых запрещенной зоной. Разрешенную зону с меньшей энергией называют валентной зоной, а разрешенную зону с высокой энергией называют зоной проводимости. Электроны с энергиями валентной зоны несвободны, то есть не могут двигаться при наложении электрического поля, так как все энергетические уровни в этой зоне заняты и согласно принципу запрета Паули электрон не может изменить свое состояние, а движение требует изменения состояния. Электроны с энергиями зоны проводимости подвижны, так в ней имеются расположенные выше свободные энергетические уровни.
Если из валентной зоны удалить электрон, то в ней образуется положительно заряженная вакансия — дырка, которую может занять другой электрон из валентной зоны, то есть при наложении электрического поля происходит движение дырок в валентной зоне — возникновение электропроводности в валентной зоне — дырочной проводимости.
Освобождение электрона из узла кристаллической решётки полупроводника и перевод его в зону проводимости требует затраты определённой энергии активации (ионизации). Эта энергия в чистых полупроводниках равна разности энергий низа зоны проводимости и верха валентной зоны и называется шириной запрещённой зоны. В легированных полупроводниках энергия активации равна разности уровней донорных и акцепторных примесей.
Так как для появления свободных носителей в полупроводниках требуется энергия активации, при абсолютном нуле температуры и отсутствия внешнего облучения все полупроводники являются диэлектриками. При повышении температуры часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости и возникает электропроводность. В легированных полупроводниках акцепторные уровни находятся вблизи верха валентной зоны, а уровни донорных примесей вблизи низа зоны проводимости, поэтому в легированных полупроводниках ионизация (возникновение носителей заряда) требует очень малой энергии активации, поэтому в слаболегированных полупроводниках уже при комнатной температуре все примесные атомы ионизированы и проводимость определяется в основном концентрацией легирующей примеси.
Носители заряда в электролитахПравить
В электролитах носителями заряда являются ионы. В растворах и расплавах электролитов часть электрически нейтральных молекул распадается на заряженные частицы с разным знаком заряда — свободные ионы. Положительно заряженные ионы называют катионами, отрицательно заряженные — анионами. Под действием электрического поля ионы перемещаются, образуя электрический ток, причем анионы движутся против вектора напряжённости электрического поля — к аноду, а катионы — к катоду, по направлению движения ионы разного знака заряда и получили свои названия.
Существуют также твёрдые тела с ионным типом проводимости — так называемые твёрдые электролиты. Твердые электролиты — это ионные кристаллы, в которых ионы в узлах кристаллической решётки слабо связаны с решёткой и могут мигрировать по кристаллу. Под действием электрического поля ионы в твёрдых электролитах приобретают упорядоченное движение по или против вектора напряжённости электрического поля в зависимости от знака заряда. Примерами твёрдых электролитов могут служить иодид серебра с проводимостью по ионам серебра Ag+ или диоксид циркония, легированный оксидом переходного металла группы III периодической таблицы Менделеева, с проводимостью по ионам кислорода O2-, обусловленной вакансиями в кристаллической решётке, а также многие твёрдые электролиты и некоторые полимеры с проводимостью по ионам водорода Н+. Во многих твёрдых электролитах, например, в легированном диоксиде циркония, ионная проводимость осуществляется перемещением вакансии — ион кислорода под действием поля перемещается в соседнюю вакансию в кристаллической решётке и остаётся там, механизм проводимости, сходный с дырочной проводимостью в полупроводниках.
Носители заряда в вакууме и разреженной плазмеПравить
Носителями заряда в вакууме являются электроны, ионы, иные заряженные элементарные частицы. Если вакуум высокий, в случаях, когда длина свободного пробега частицы много больше рассматриваемого размера, то есть число Кнудсена много больше 1 заряженные частицы — носители заряда можно считать невзаимодействующими и они движутся при отсутствии электрического поля прямолинейно и равномерно до соударения со стенкой сосуда. При наложении электрического поля заряженные частицы начинают двигаться ускоренно под действием электрической силы.
Частным случаем зарядов в вакууме является сильно разрежённая плазма — электрически нейтральная смесь носителей заряда с разными зарядами.
Объёмный зарядПравить
Обычно в среде, где имеются свободные носители заряда суммарный заряд положительно заряженных частиц равен суммарному заряду отрицательно заряженных частиц, поэтому такая среда электрически нейтральна. Но в некоторых случаях суммарный заряд одного из знаков превалирует над суммарным зарядом другого знака. В этом случае говорят об объемном или поверхностном заряде. Наличие объемного или поверхностного заряда порождает в соответствие с теоремой Гаусса электрическое поле. Электрическое поле вызывает движение носителей заряда и перераспределение объемного заряда, стремясь выравнять концентрацию зарядов разного знака. Поэтому для длительного существования объемного заряда должен существовать механизм его поддержания. Например, стеканию заряда с отрицательно заряженных тел препятствует работа выхода электронов.
Возникающий объёмный заряд играет важную роль в физических процессах в электровакуумных приборах, — объёмный заряд электронов в вакууме или зоны объёмного заряда в p-n-переходах в полупроводниковых приборах, возникающий из-за встречной диффузии электронов и дырок и контактной разности потенциалов.
Генерация и рекомбинация носителей зарядаПравить
В электролитах, полупроводниках, плазме одновременно происходят процессы рекомбинации и ионизации частиц. Электрически нейтральные атомы и молекулы распадаются на заряженные частицы — ионизация и одновременно частицы разных знаков притягиваются друг к другу и образуют электрически нейтральные частицы — рекомбинация. В равновесном состоянии число актов рекомбинации и диссоциации в единицу времени равны друг другу и в среде устанавливается равновесная концентрация носителей заряда. Выведенная из состояния равновесия система постепенно самопроизвольно переходит в равновесную. Постоянную времени установления равновесной концентрации зарядов называют временем релаксации.
Диссоциация нейтральных частиц происходит главным образом из-за теплового движения и колебания частиц, их соударений. Так как на диссоциацию требуется некоторая энергия, называемая энергией активации, то концентрация носителей заряда, если нет иных факторов, препятствующих тепловой диссоциации, нарастает при повышении температуры. Именно поэтому электропроводность электролитов, полупроводников, не полностью ионизированной плазмы нарастает при повышении температуры. Количественно концентрация носителей заряда в веществе в зависимости от температуры выражается уравнением Аррениуса.
Известен механизм диссоциации на заряженные частицы посредством внешнего нетеплового воздействия, например, электромагнитным излучением или потоком быстрых частиц, например, потоком электронов, ионизирующим излучением. При таком воздействии концентрация носителей заряда повышается по сравнению с равновесной тепловой концентрацией. Поглощение фотона или заряженной частицы в полупроводнике порождает с некоторой вероятностью электронно-дырочную пару, это явление используется в различных полупроводниковых фотоприёмниках и полупроводниковых детекторах частиц. Макроскопически повышение концентрации носителей заряда проявляется в изменении электрических свойств, например, электропроводности.
Рекомбинация заряженных частиц сопровождается выделением энергии равной энергии диссоциации или энергии ионизации. В большинстве случаев эта энергия превращается в тепловое движение, но может переходить в иные виды энергии, например, уноситься фотоном, как в светодиодах и полупроводниковых лазерах в актах рекомбинации электронно-дырочных пар.
Длина свободного пробега носителей зарядаПравить
Среднее расстояние, на котором движение носителя заряда может считаться независимым от присутствия других частиц называют длиной свободного пробега. Обычно это расстояние равно длине пути частицы до столкновения с другой частицей, но например, в плазме длиной пробега считается расстояние до существенного электростатического взаимодействия с другой заряженной частицей плазмы и изменении направления движения.
В электролитах длина свободного пробега ограничена столкновениями, в металлах длина свободного пробега электронов ограничена рассеиванием электронов на атомах, дефектах кристаллической решетки и её тепловых колебаниях — рассеиванием на фононах.
В полупроводниках электроны и дырки рассеиваются на дефектах кристаллической решетки, примесных атомах и на фононах. В чистых полупроводниках длина свободного пробега может достигать при низких температурах нескольких миллиметров.
В вакууме и разреженной плазме понятие длины свободного пробега теряет смысл, так как частицы не взаимодействуют. Условно можно считать, что длина свободного пробега равна размерам сосуда.
Чем выше длина свободного пробега и больше концентрация носителей , тем выше удельная электропроводность :
Электрические
токи в металлах, вакууме и газах
§ 102. Элементарная классическая теория электропроводности металлов
Носителями
тока в металлах являются свободные
электроны, т. е. электроны, слабо связанные
с ионами кристаллической решетки
металла. Это представление о природе
носителей тока в металлах основывается
на электронной теории проводимости
металлов, созданной немецким физиком
П. Друде (1863—1906) и разработанной
впоследствии нидерландским физиком
X.
Лоренцем,
а также на ряде классических опытов,
подтверждающих положения электронной
теории.
Первый
из таких опытов — опыт
Рикке
(1901),
в котором в течение года электрический
ток пропускался через три последовательно
соединенных с тщательно отшлифованными
торцами металлических цилиндров (Сu,
Аl,
Сu)
одинакового радиуса. Несмотря на то
что общий заряд, прошедший через эти
цилиндры, достигал огромного значения
(3,5•106
Кл), никаких, даже микроскопических,
следов переноса вещества не
обнаружилось. Это явилось экспериментальным
доказательством того, что ионы в
металлах не участвуют в переносе
электричества, а перенос заряда в
металлах осуществляется частицами,
которые являются общими для всех
металлов. Такими частицами могли быть
открытые в 1897 г. английским физиком Д.
Томсоном (1856—1940) электроны. Для
доказательства этого предположения
необходимо было определить знак и
величину удельного заряда носителей
(отношение заряда носителя к его массе).
Идея подобных опытов заключалась в
следующем: если в металле имеются
подвижные, слабо связанные с решеткой
носители тока, то при резком торможении
проводника эти частицы должны по
инерции смещаться вперед, как
смещаются
вперед пассажиры, стоящие в вагоне при
его торможении. Результатом смещения
зарядов должен быть импульс тока; по
направлению тока можно определить
знак носителей тока, а зная размеры и
сопротивление проводника, можно
вычислить удельный заряд носителей.
Идея этих опытов (1913) и их качественное
воплощение принадлежат советским
физикам С. Л. Мандельштаму (1879—1944) и
Н. Д. Папалекси (1880—1947). Эти опыты в 1916
г. были усовершенствованы и проведены
американским физиком Р. Толменом (1881
—1948) и ранее шотландским физиком Б.
Стюартом (1828—1887). Ими экспериментально
доказано, что носители тока в металлах
заряжены отрицательно, а их удельный
заряд приблизительно одинаков для
всех исследованных металлов. По значению
удельного заряда носителей электрического
тока и по определенному ранее Р. Милликеном
элементарному электрическому заряду
была определена их масса. Оказалось,
что значения удельного заряда и массы
носителей тока и электронов, движущихся
в вакууме, совпадали. Таким образом,
было окончательно доказано, что
носителями электрического тока в
металлах являются свободные
электроны.
Существование
свободных электронов в металлах можно
объяснить следующим образом: при
образовании кристаллической решетки
металла (в результате сближения
изолированных атомов) валентные
электроны, сравнительно слабо связанные
с атомными ядрами, отрываются от атомов
металла, становятся «свободными» и
могут перемещаться по всему объему.
Таким образом, в узлах кристаллической
решетки располагаются ионы металла, а
между ними хаотически движутся свободные
электроны, образуя своеобразный
электронный газ, обладающий, согласно
электронной теории металлов, свойствами
идеального газа.
Электроны
проводимости при своем движении
сталкиваются с ионами решетки, в
результате чего устанавливается тер-
модинамическое
равновесие между электронным газом
и решеткой. По теории Друде — Лоренца,
электроны обладают такой же энергией
теплового движения, как и молекулы
одноатомного газа. Поэтому, применяя
выводы молекулярно-кинетической теории
(см. (44.3)), можно найти среднюю скорость
теплового движения электронов
которая
для T=300
К равна 1,1•105
м/с. Тепловое движение электронов,
являясь хаотическим, не может привести
к возникновению тока.
Казалось
бы, полученный результат противоречит
факту практически мгновенной передачи
электрических сигналов на большие
расстояния. Дело в том, что замыкание
электрической цепи влечет за собой
распространение электрического поля
со скоростью с
(с=3•108
м/с). Через время t=l/c
(l —
длина
цепи) вдоль цепи установится стационарное
электрическое поле и в ней начнется
упорядоченное движение электронов.
Поэтому электрический ток возникает в
цепи практически одновременно с ее
замыканием.
Соседние файлы в папке Трофимова
Электрический ток – направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.
Заряженными частицами могут являться электроны или ионы (заряженные атомы).
Атом, потерявший один или несколько электронов, приобретает положительный заряд. – Анион (положительный ион).
Атом, присоединивший один или несколько электронов, приобретает отрицательный заряд. – Катион (отрицательный ион).
Ионы в качестве подвижных заряженных частиц рассматриваются в жидкостях и газах.
В металлах носителями заряда являются свободные электроны, как отрицательно заряженные частицы.
В полупроводниках рассматривают движение (перемещение) отрицательно заряженных электронов от одного атома к другому и, как результат, перемещение между атомами образовавшихся положительно заряженных вакантных мест – дырок.
За направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов. Это правило было установлено задолго до изучения электрона и сохраняется до сих пор. Так же и напряжённость электрического поля определена для положительного пробного заряда.
На любой единичный заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = qE, которая перемещает заряд в направлении вектора этой силы.
На рисунке показано, что вектор силы F— = -qE, действующей на отрицательный заряд -q, направлен в сторону противоположную вектору напряжённости поля, как произведение вектора E на отрицательную величину. Следовательно, отрицательно заряженные электроны, которые являются носителями зарядов в металлических проводниках, в реальности имеют направление движения, противоположное вектору напряжённости поля и общепринятому направлению электрического тока.
Количество заряда Q = 1 Кулон, перемещённое через поперечное сечение проводника за время t = 1 секунда, определится величиной тока I = 1 Ампер из соотношения:
I = Q/t.
Отношение величины тока I = 1 Aмпер в проводнике к площади его поперечного сечения S = 1 m 2 определит плотность тока j = 1 A/m2:
j = I/S
Работа A = 1 Джоуль, затраченная на транспортировку заряда Q = 1 Кулон из точки 1 в точку 2 определит значение электрического напряжения U = 1 Вольт, как разность потенциалов φ1 и φ2 между этими точками из расчёта:
U = A/Q = φ1 – φ2
Электрический ток может быть постоянным или переменным.
Постоянный ток – электрический ток, направление и величина которого не меняются во времени.
Переменный ток — электрический ток, величина и направление которого меняются с течением времени.
Ещё в 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный закон электричества, определяющий количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими их способность противостоять электрическому току.
Эти свойства впоследствии стали называть электрическим сопротивлением, обозначать буквой R и измерять в Омах в честь первооткрывателя.
Закон Ома в современной интерпретации классическим соотношением U/R определяет величину электрического тока в проводнике исходя из напряжения U на концах этого проводника и его сопротивления R:
I = U/R
Электрический ток в проводниках
В проводниках имеются свободные носители зарядов, которые под действием силы электрического поля приходят в движение и создают электрический ток.
В металлических проводниках носителями зарядов являются свободные электроны.
С повышением температуры хаотичное тепловое движение атомов препятствует направленному движению электронов и сопротивление проводника увеличивается.
При охлаждении и стремлении температуры к абсолютному нулю, когда прекращается тепловое движение, сопротивление металла стремится к нулю.
Электрический ток в жидкостях (электролитах) существует как направленное движение заряженных атомов (ионов), которые образуются в процессе электролитической диссоциации.
Ионы перемещаются в сторону электродов, противоположных им по знаку и нейтрализуются, оседая на них. – Электролиз.
Анионы – положительные ионы. Перемещаются к отрицательному электроду – катоду.
Катионы – отрицательные ионы. Перемещаются к положительному электроду – аноду.
Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.
При нагревании сопротивление электролита уменьшается из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы.
Электрический ток в газах – плазма. Электрический заряд переносится положительными или отрицательными ионами и свободными электронами, которые образуются под действием излучения.
Существует электрический ток в вакууме, как поток электронов от катода к аноду. Используется в электронно-лучевых приборах – лампах.
Электрический ток в полупроводниках
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по своему удельному сопротивлению.
Знаковым отличием полупроводников от металлов можно считать зависимость их удельного сопротивления от температуры.
С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается, а у полупроводников, наоборот, возрастает.
При стремлении температуры к абсолютному нулю металлы стремятся стать сверхпроводниками, а полупроводники – изоляторами.
Дело в том, что при абсолютном нуле электроны в полупроводниках будут заняты созданием ковалентной связи между атомами кристаллической решётки и, в идеале, свободные электроны будут отсутствовать.
При повышении температуры, часть валентных электронов может получать энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей и в кристалле появятся свободные электроны, а в местах разрыва образуются вакансии, которые получили название дырок.
Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары и дырка переместится на новое место в кристалле.
При встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами полупроводника и происходит обратный процесс – рекомбинация.
Электронно-дырочные пары могут появляться и рекомбинировать при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.
В отсутствие электрического поля электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
В электрическое поле в упорядоченном движении участвуют не только образовавшиеся свободные электроны, но и дырки, которые рассматриваются как положительно заряженные частицы. Ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов.
К числу полупроводников относятся такие химические элементы, как германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.
Самым распространенным в природе полупроводником является кремний.
Замечания и предложения принимаются и приветствуются!
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:
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.
Причем средняя скорость движения электронов составляет несколько миллиметров в секунду. Однако скорость распространения самого электрического поля — окло 3 · 108 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.).
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 · 1011 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:
I = q0nvS,
где q0 = e — заряд электрона, n — концентрация электронов, S — площадь поперечного сечения проводника.
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:
где F — сила, действующая на электрон со стороны поля, U — напряжение на концах проводника длиной L.
Теперь, подставляя полученное уравнение в выражение I = q0nvS, имеем:
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.
Носителями
тока в металлах являются свободные
электроны, т. е. электроны, слабо связанные
с ионами кристаллической решетки
металла. Это представление о природе
носителей тока в металлах основывается
на электронной теории проводимости
металлов, созданной немецким физиком
П. Друде (1863—1906) и разработанной
впоследствии нидерландским физиком X.
Лоренцем,
а также на ряде классических опытов,
подтверждающих положения электронной
теории.
Первый
из таких опытов — опыт
Рикке
(1901),
в котором в течение года электрический
ток пропускался через три последовательно
соединенных с тщательно отшлифованными
торцами металлических цилиндров (Сu,
Аl,
Сu)
одинакового радиуса. Несмотря на то что
общий заряд, прошедший через эти цилиндры,
достигал огромного значения (3,5•106
Кл), никаких, даже микроскопических,
следов переноса вещества не обнаружилось.
Это явилось экспериментальным
доказательством того, что ионы в металлах
не участвуют в переносе электричества,
а перенос заряда в металлах осуществляется
частицами, которые являются общими для
всех металлов. Такими частицами могли
быть открытые в 1897 г. английским физиком
Д. Томсоном (1856—1940) электроны. Для
доказательства этого предположения
необходимо было определить знак и
величину удельного заряда носителей
(отношение заряда носителя к его массе).
Идея подобных опытов заключалась в
следующем: если в металле имеются
подвижные, слабо связанные с решеткой
носители тока, то при резком торможении
проводника эти частицы должны по инерции
смещаться вперед, как
смещаются
вперед пассажиры, стоящие в вагоне при
его торможении. Результатом смещения
зарядов должен быть импульс тока; по
направлению тока можно определить знак
носителей тока, а зная размеры и
сопротивление проводника, можно вычислить
удельный заряд носителей. Идея этих
опытов (1913) и их качественное воплощение
принадлежат советским физикам С. Л.
Мандельштаму (1879—1944) и Н. Д. Папалекси
(1880—1947). Эти опыты в 1916 г. были
усовершенствованы и проведены американским
физиком Р. Толменом (1881 —1948) и ранее
шотландским физиком Б. Стюартом
(1828—1887). Ими экспериментально доказано,
что носители тока в металлах заряжены
отрицательно, а их удельный заряд
приблизительно одинаков для всех
исследованных металлов. По значению
удельного заряда носителей электрического
тока и по определенному ранее Р. Милликеном
элементарному электрическому заряду
была определена их масса. Оказалось,
что значения удельного заряда и массы
носителей тока и электронов, движущихся
в вакууме, совпадали. Таким образом,
было окончательно доказано, что носителями
электрического тока в металлах являются
свободные
электроны.
Существование
свободных электронов в металлах можно
объяснить следующим образом: при
образовании кристаллической решетки
металла (в результате сближения
изолированных атомов) валентные
электроны, сравнительно слабо связанные
с атомными ядрами, отрываются от атомов
металла, становятся «свободными» и
могут перемещаться по всему объему.
Таким образом, в узлах кристаллической
решетки располагаются ионы металла, а
между ними хаотически движутся свободные
электроны, образуя своеобразный
электронный газ, обладающий, согласно
электронной теории металлов, свойствами
идеального газа.
Электроны
проводимости при своем движении
сталкиваются с ионами решетки, в
результате чего устанавливается тер-
модинамическое
равновесие между электронным газом и
решеткой. По теории Друде — Лоренца,
электроны обладают такой же энергией
теплового движения, как и молекулы
одноатомного газа. Поэтому, применяя
выводы молекулярно-кинетической теории
(см. (44.3)), можно найти среднюю скорость
теплового движения электронов
которая
для T=300
К равна 1,1•105
м/с. Тепловое движение электронов,
являясь хаотическим, не может привести
к возникновению тока.
Казалось
бы, полученный результат противоречит
факту практически мгновенной передачи
электрических сигналов на большие
расстояния. Дело в том, что замыкание
электрической цепи влечет за собой
распространение электрического поля
со скоростью с
(с=3•108
м/с). Через время t=l/c
(l —
длина
цепи) вдоль цепи установится стационарное
электрическое поле и в ней начнется
упорядоченное движение электронов.
Поэтому электрический ток возникает в
цепи практически одновременно с ее
замыканием.
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 14 октября 2022 года; проверки требуют 2 правки.
У этого термина существуют и другие значения, см. Ток.
Электрический ток имеет следующие проявления:
- нагревание проводников (не происходит в сверхпроводниках);
- изменение химического состава проводников (наблюдается преимущественно в электролитах);
КлассификацияПравить
Различают постоянный и переменный электрические токи, а также всевозможные разновидности переменного тока. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают.
Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.
ХарактеристикиПравить
Электрический ток имеет количественные характеристики: скалярную — силу тока, и векторную — плотность тока.
Сила тока — физическая величина, равная отношению количества заряда , прошедшего за некоторое время через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.
Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах (русское обозначение: А; международное: A).
По закону Ома сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению , приложенному к этому участку цепи, и обратно пропорциональна его сопротивлению :
Если на участке цепи электрический ток не постоянный, то напряжение и сила тока постоянно изменяется, при этом у обычного переменного тока средние значения напряжения и силы тока равны нулю. Однако средняя мощность выделяемого при этом тепла нулю не равна. Поэтому применяют следующие понятия:
- мгновенные напряжение и сила тока, то есть действующие в данный момент времени.
- амплитудные напряжение и сила тока, то есть максимальные абсолютные значения
Плотность тока — вектор, абсолютная величина которого равна отношению силы тока, протекающего через некоторое сечение проводника, перпендикулярное направлению тока, к площади этого сечения, а направление вектора совпадает с направлением движения положительных зарядов, образующих ток.
Согласно закону Ома в дифференциальной форме плотность тока в среде пропорциональна напряжённости электрического поля и проводимости среды :
При наличии тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Электрическое сопротивление любого проводника состоит из двух составляющих:
Как правило, большая часть работы электрического тока выделяется в виде тепла. Мощностью тепловых потерь называется величина, равная количеству выделившегося тепла в единицу времени. Согласно закону Джоуля — Ленца мощность тепловых потерь в проводнике пропорциональна силе протекающего тока и приложенному напряжению:
Мощность измеряется в ваттах.
В сплошной среде объёмная мощность потерь определяется скалярным произведением вектора плотности тока и вектора напряжённости электрического поля в данной точке:
Объёмная мощность измеряется в ваттах на кубический метр.
Сопротивление излучению вызвано образованием электромагнитных волн вокруг проводника. Это сопротивление находится в сложной зависимости от формы и размеров проводника, от длины излучаемой волны. Для одиночного прямолинейного проводника, в котором везде ток одного направления и силы, и длина которых L значительно меньше длины излучаемой им электромагнитной волны , зависимость сопротивления от длины волны и проводника относительно проста:
Наиболее применяемому электрическому току со стандартной частотой 50 Гц соответствует волна длиной около 6 тысяч километров, именно поэтому мощность излучения обычно пренебрежительно мала по сравнению с мощностью тепловых потерь. Однако, с увеличением частоты тока длина излучаемой волны уменьшается, соответственно возрастает мощность излучения. Проводник, способный излучать заметную энергию, называется антенной.
Понятие частоты относится к переменному току, периодически изменяющему силу или направление. Сюда же относится наиболее часто применяемый ток, изменяющийся по синусоидальному закону.
Иногда для удобства вводят понятие тока смещения. В уравнениях Максвелла ток смещения присутствует на равных правах с током, вызванным движением зарядов. Интенсивность магнитного поля зависит от полного электрического тока, равного сумме тока проводимости и тока смещения. По определению, плотность тока смещения — векторная величина, пропорциональная скорости изменения электрического поля :
где — электрическая постоянная, а — диэлектрическая проницаемость. При изменении электрического поля, так же, как и при протекании тока, происходит генерация магнитного поля, что делает эти два процесса похожими друг на друга. Кроме того, изменение электрического поля обычно сопровождается переносом энергии. Например, при зарядке и разрядке конденсатора, несмотря на то, что между его обкладками не происходит движения заряженных частиц, говорят о протекании через него тока смещения, переносящего некоторую энергию и своеобразным образом замыкающего электрическую цепь. Ток смещения в конденсаторе определяется по формуле:
где — заряд на обкладках конденсатора, — разность потенциалов между обкладками, — ёмкость конденсатора.
Ток смещения не является электрическим током, поскольку не связан с перемещением электрического заряда.
Основные типы проводниковПравить
В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).
Металлы — здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.
Плазма — ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.