Что является носителем электрического заряда в металлах
Перейти к содержимому

Что является носителем электрического заряда в металлах

  • автор:

Носители электрического заряда

Физика Класс - Учебники, статьи, иллюстрации по физике для 10-11 классов, физическая энциклопедия

Электрический заряд переносится только заряженными частицами: электрического заряда без частиц не существует. Заряженные частицы называют носителями электрического заряда. Помня об этом, мы будем, однако, для краткости называть иногда заряженные частицы просто зарядами.

Наиболее «активный» носитель электрического заряда — электрон, что обусловлено прежде всего его малой массой. Например, электроны являются носителями заряда в металлах.

Переносить электрический заряд могут и ионы — атомы, потерявшие или приобретшие один или несколько электронов. Потерявший электрон (электроны) атом становится положительно заряженным ионом, а приобретший — отрицательно заряженным.

Например, в растворе поваренной соли (химическая формула ) носителями электрического заряда являются положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные ионы хлора.

  • Ион
  • Носители электрического заряда

Смотрите также похожие статьи.

  • Носители электрического заряда
    Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
  • Закон сохранения электрического заряда
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • 1. Напряженность электрического поля
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Вопросы и задания к параграфу § 1. Природа электричества
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Перемещение пробного заряда в поле точечного заряда, при котором работа поля равна нулю
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Принцип действия генератора электрического тока
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Главное в главе 1. Электрические взаимодействия
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Вопросы и задания к параграфу § 6. Электроемкость. энергия электрического поля
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Энергия электрического поля
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • 2. Энергия электрического поля
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • § 6. Электроемкость. энергия электрического поля
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • 1. Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Напряженность поля точечного заряда
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • § 3. Напряженность электрического поля
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Единица электрического заряда
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Направление электрического тока и направление движения электронов
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Эквипотенциальные поверхности в поле точечного заряда
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Перемещение заряда в однородном поле, при котором работа поля равна нулю
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Работа электростатического поля по перемещению заряда
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Линии напряженности поля отрицательного точечного заряда
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Линии напряженности поля положительного точечного заряда
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Напряженность поля положительного точечного заряда
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Напряженность электрического поля
    Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
  • Тепловой насос
    Иллюстрации по физике для 10 класса -> Термодинамика
  • Тепловой насос
    Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
  • Частицы и античастицы
    Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
  • Основные свойства ядерных сил
    Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
  • Главное в главе 4. Электромагнитное поле
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Вихревое электрическое поле
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Можно ли «увидеть» линии магнитной индукции?
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Электродвижущая сила источника тока
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Электроемкость уединенного проводника
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Вопросы и задания к параграфу § 5. Потенциал и разность потенциалов
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Примеры эквипотенциальных поверхностей
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Эквипотенциальные поверхности
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • 3. Связь между разностью потенциалов и напряженностью
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Разность потенциалов
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Потенциал электростатического поля
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Поляризация диэлектриков
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Можно ли «увидеть» линии напряженности?
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Поля точечных зарядов
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • 2. Линии напряженности
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Вопросы и задания к параграфу § 2. Взаимодействие электрических зарядов
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Элементарный электрический заряд
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Почему так редко проявляется электрическое взаимодействие заряженных тел?
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • 1. От электрона-янтаря до электрона-частицы
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Молния
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Электрические заряды в грозовом облаке и поверхностном слое Земли
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Электрическое поле вблизи поверхности Земли в ясную погоду
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Эквипотенциальные поверхности в однородном электростатическом поле
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Связь между разностью потенциалов и напряженностью
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Какое напряжение опасно для человека?
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Потенциал и разность потенциалов
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Поле равномерно заряженной сферы
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Ион
    Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
  • ЭРСТЕД ГАНС ХРИСТИАН (1777-1851)
    Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
  • ФРАНКЛИН БЕНДЖАМИН (1706 — 1790)
    Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
  • ФАРАДЕЙ МАЙКЛ (1791-1867)
    Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
  • ТОМСОН ДЖОЗЕФ ДЖОН (1856-1940)
    Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
  • ОМ ГЕОРГ СИМОН (1789-1854)
    Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
  • МАКСВЕЛЛ ДЖЕЙМС КЛЕРК (1831-1879)
    Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
  • КОРОЛЕВ СЕРГЕЙ ПАВЛОВИЧ (1907–1966)
    Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
  • КАВЕНДИШ ГЕНРИ (1731 – 1810)
    Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике

Электродинамика

Copyright © 2013-2023 Физика Класс. FizikaKlass.ru. Сайт, посвященный науке физике. Статьи, иллюстрации, вопросы и ответы по физике. Рассказы об ученых физики, а также большая физическая энциклопедия.

какими носителями электрического заряда создается электрический ток в металлах? какими носителями электрического заряда создается электрический ток в электролитах? какие действия электрического тока всегда сопровождают его прохождение через любые среды?

Мартын05

Ручку двери расположили на расстоянии 80 см от оси вращения. Дверь открывается под действием момента силы 1,2 Н×м. Какая сила действует на дверь?

як обчислити силу тяжіння, що діє на тіло відомої маси?

Сила 50Н сообщит ускорение 0,5 м/с². Какая сила сообщит этому телу ускорение 2,2 м/с²? Оформите как задачу Дано и т.д. Спасибо

Физика. 10 класс

§ 34. Электрический ток в металлах. Сверхпроводимость

Типичными представителями класса проводников являются металлы. Какова природа электрического тока в металлах?

Рис.

Природа электрического тока в металлах. В металлических проводниках носители электрического заряда — свободные электроны. Под действием внешнего электрического поля свободные электроны упорядоченно движутся, создавая электрический ток ( рис. 194 ).

Рис.

Электронная проводимость металлов была впервые экспериментально подтверждена немецким физиком К. Рикке ( 1845–1915 ) в 1901 г. Суть опыта Рикке заключалась в следующем: по проводнику, состоявшему из трёх отполированных и плотно прижатых друг к другу цилиндров — двух медных и одного алюминиевого ( рис. 195 ), в течение года проходил ток одного и того же направления. За этот промежуток времени через проводник прошёл заряд более 3,5 МКл. После завершения опыта взвешивание показало, что массы цилиндров остались неизменными. Это явилось экспериментальным доказательством того, что перенос заряда при прохождении тока в металлах не сопровождается химическими процессами и переносом вещества, а осуществляется частицами, которые являются одинаковыми для всех металлов, т. е. электронами.

В 1916 г. американский физик Р. Толмен ( 1881—1948 ) и шотландский физик Т. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением свободных электронов.

Рис.

В этих опытах катушку с большим числом витков тонкой проволоки подключали к гальванометру и приводили в быстрое вращение вокруг своей оси ( рис. 195.1 ). При резком торможении катушки в цепи возникал кратковременный ток, обусловленный инерцией носителей заряда. По направлению отклонения стрелки гальванометра было установлено, что электрический ток создают отрицательно заряженные частицы. При этом экспериментально полученное отношение заряда каждой из этих частиц к её массе (удельный заряд) близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было экспериментально доказано, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.

Рис.

Вещества, обладающие электронной проводимостью, называют проводниками первого рода.

В соответствии с классической электронной теорией проводимости металлов, созданной немецким физиком П. Друде ( 1863–1906 ) в 1900 г., металлический проводник можно рассматривать как физическую систему, состоящую из свободных электронов и положительно заряженных ионов, колеблющихся около положений равновесия ( рис. 196 ).

Рис.

Появление свободных электронов при образовании металлического кристалла из нейтральных атомов можно упрощённо объяснить следующим образом. Электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов, слабо связаны со своими ядрами. При образовании кристалла атомы сближаются на расстояние r 0,1 нм , и электроны начинают взаимодействовать не только со своими ядрами, но и с ядрами соседних атомов. В результате этого их взаимодействие с собственными ядрами значительно ослабевает, вследствие чего они теряют с ними связь и могут двигаться по всему кристаллу в любом направлении как свободные частицы. Атомы превращаются при этом в положительно заряженные ионы. В пространстве между ионами беспорядочно движутся подобно частицам идеального газа свободные электроны. Поэтому для описания движения электронов используют модель «электронный газ» — совокупность свободных электронов в кристаллической решётке металла. На рисунке 196.1 пунктирной линией изображена траектория движения одного из электронов.

В этой модели электроны, упорядоченное движение которых является током проводимости, рассматривают как материальные точки, модуль потенциальной энергии взаимодействия которых пренебрежимо мал по сравнению с их кинетической энергией. Считают, что движение электронов под действием электрического поля подчиняется законам классической механики, а их столкновения с ионами кристаллической решётки металла являются неупругими, т. е. при столкновениях электроны полностью передают ионам кинетическую энергию своего упорядоченного движения. В промежутках между столкновениями свободные электроны совершают беспорядочное тепловое движение и в то же время движутся упорядоченно и равноускоренно под воздействием электрического поля.

Интересно знать

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

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

Тогда модуль средней скорости его направленного движения: , где — усреднённый промежуток времени между двумя последовательными столкновениями электрона с ионами кристаллической решётки.

Рис.

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

Сила тока в проводнике пропорциональна модулю средней скорости направленного движения электронов:

где q — модуль заряда электронов проводимости, находящихся в проводнике, — усреднённое время прохождения этих электронов по проводнику, N — количество электронов проводимости в проводнике, n — концентрация этих электронов, V = Sl — объём проводника. Следовательно, сила тока пропорциональна напряжению между концами проводника I U.

Какими носителями электрического заряда создается электрический ток в металлах?

Если рассматривать ток проводимости то, проводимость делят на электронную и ионную.
Для металлов практич. всегда свойственна электронная проводимость, стал быть электрон.

Согласен с текстом выше

Похожие вопросы

Ваш браузер устарел

Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.

1)Какие частицы являются свободными носителями электрического заряда в металлах 2)Какие частицы являются свободными носителями эл. заряда в растворах солей, щелочей или кислот?

1)Какие частицы являются свободными носителями электрического заряда в металлах? Электроны.
2)Какие частицы являются свободными носителями эл. заряда в растворах солей, щелочей или кислот? Положительные и отрицательные ионы, образующиеся при распаде молекул (диссоциации)

Новые вопросы в Физика

1. Утвори пари: позначення значення величини. Qn Q Q+ Q QF k кількість тіл, що отримують енергію кількість теплоти кількість одержаної теплоти кількіс … ть тіл, що віддають енергію модуль кількості відданої теплоти -​

На поверхні озера поширюється хвиля, профіль якої зображено на рисунку. Чому дорівнюють довжина хвилі та період коливань, якщо хвиля поширюється зі шв … идкість 50 см/с?

чому знаючи тільки шлях не можна визначити кінцеве положення?

Найглибша впадина в океані 11 034 екскурсія по місту тривала 4 години 30 хвилин виразі цю глибину в одиницях CI виразі цей час в одиницях системи CI

какое количество теплоты нужно, чтоб нагреть алюминивый шарик массой 40 грамм от температуры 20°C ло температуры плавления и полностью расплавить?

Носители свободных электрических зарядов в металлах, жидкостях и газах

Электрический ток в металлах Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Их концентрация велика – порядка 10 28 м -3 . Эти электроны участвуют в беспорядочном тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью 10 -4 м/с. Наличие сво­бодных электронов в металлах было доказано в опытах Л.И.Мандельштама и Н.Д.Папалекси (1913 г.), Б. Стю­артом и Р. Толменом (1916 г.). Опыт проводился следующим образом: на катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. К концам дисков при помощи скользящих контактов при­соединяют гальванометр. Катушку приводят в быстрое движение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникает электрический ток. Ток существует незначительное время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, обра­зующее ток прекращается. Переноси­мый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т. е. q/m. Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за время существования тока в цепи, удалось определить это отношение. Оно оказалось равным 1,8*10¹¹ Кл/кг. Электрический ток в металлах это направленное и упорядоченное движение свободных электронов. Скорость упорядоченного движения электронов прямо про­порциональна напряженности поля в проводнике. (v ~ E) Электрический ток в металлах это направленное и упорядоченное движение свободных электронов. Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно. Движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики. Электрический ток в растворах и расплавах электролитов Жидкости, как и твердые тела, могут быть диэлектриками (дистиллированная вода), проводниками(растворы и расплавы электролитов, щелочей, солей, жидкие металлы) и полупроводниками (расплавленный селен, расплавы сульфидов и т.д.). Электролиты – вещества, растворы и расплавы которых обладают ионной проводимостью. Электролиты – водные растворы солей, кислот и щелочей. В растворах и расплавах электролитов перенос зарядов под действием электрического поля осуществляется положительными и отрицательными ионами, движущимися в противоположных направлениях. При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы. Этот процесс называется электролитической диссоциацией. Электролитическая диссоциация – расщепление молекул электролита на положительные и отрицательные ионы под действием растворителя. Степень диссоциации – отношение количества молекул, диссоциировавших на ионы, к общему количеству молекул вещества. Вследствие теплового движения молекул растворимость существенно зависит от температуры. Степень диссоциации, т.е. доля молекул в растворенном веществе, распавшихся на ионы, зависит от температуры, концентрации раствора и диэлектрической проницаемости растворителя. С увеличением температуры степень диссоциации возрастает и, следовательно, увеличивается концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов. Носителями заряда в водных растворах или расплавах электролитов являются положительно или отрицательно заряженные ионы. Поскольку перенос заряда в водных растворах или расплавах электролитов осуществляется ионами, такую проводимость называют ионной. Жидкости могут обладать и электронной проводимостью. Например, жидкие металлы. Положительные и отрицательные ионы могут возникать и при плавлении твердых электролитов в результате распада полярных молекул из-за увеличения амплитуды тепловых колебаний. Ионы разных знаков при встрече могут снова объединится в нейтральные молекулы – рекомбинировать. Наряду с диссоциацией в растворах электролитов идет и обратный процесс рекомбинации ионов разных знаков в нейтральную молекулу. Когда число молекул, распадающихся на ионы, становится равным числу молекул, возникающих за это же время в результате рекомбинации, устанавливается динамическое равновесие. Степень диссоциации остается постоянной. В отсутствии внешнего электрического поля ионы вместе в нераспавшимися молекулами находятся в хаотическом тепловом движении. Электролиз При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролита. Электролизом называют процесс выделения на электроде чистого вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями. Электролиз – это выделение веществ из электролита с последующим осаждением на электродах Электролиз – выделение на электродах веществ, входящих в состав электролита, при протекании через его раствор (или расплав) электрического тока. Пример: При опускании в раствор хлорида меди CuCl2 разноименно заряженных электродов возникает направленное движение ионов. Хлорид меди в водном растворе диссоциирует на ионы меди и хлора: CuCl2  Cu 2+ + 2Cl — отрицательному электроду(катоду) притягиваются положительные ионы(катионы) Cu 2+ , к положительному(аноду) – отрицательные ионы(анионы) Cl — Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода: Cu 2+ + 2e- → Cu Образовавшиеся в результате реакции нейтральные атомы меди оседают на катоде. Ионы хлора Cl — отдают на аноде по одному избыточному электрону, превращаясь в нейтральные атомы хлора Cl, которые соединяясь попарно образуют молекулярный хлор, выделяющийся на аноде в виде пузырьков газа: 2Cl — — 2e — → Cl2 Масса вещества, выделившегося на электроде за определенный промежуток времени равна массе всех ионов Ni, осевших на электродах за это время: m = miNi mi — масса одного иона Полный заряд Q всех ионов, прошедших через раствор на электрод, пропорционален заряду каждого иона qi: Q = qiNi Из отношения левых и правых частей равенств получаем: = = k k – электрохимический эквивалент вещества Для каждого электролита отношение массы иона к его заряду является постоянной величиной. Майкл Фарадей в 1833 г.на основании опытов сформулировал два закона электролиза: 1. Масса вещества, выделяющегося из электролита на электродах, оказывается тем большей, чем больший заряд прошел через электролит Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через раствор (расплав) электролита: m = k Q Закон Фарадея можно сформулировать иначе, учитывая, что Q = It: Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна силе тока и времени прохождения тока через раствор (расплав) электролита: m = k I t I – сила тока t – время его прохождения через электролит. Из формулы видно, что коэффициент k численно равен массе вещества, выделившегося на электродах, при переносе ионами заряда равного 1 Кл Коэффициент k, превращающий эту пропорциональность в равенство m = kIt, называется электрохимическим эквивалентом вещества. Единица измерения — кг/Кл 2. Электрохимический эквивалент тем больший, чем больше масса моля вещества и чем меньше его валентность Масса иона выражается через молярную массу и постоянную Авогадро: mi = Заряд иона кратен заряду электрона: qi = ne n валентность химического элемента Тогда получаем соотношение, иногда называемое вторым законом Фарадея: k = . k ~ эта дробь называется химическим эквивалентом вещества Коэффициент, превращающий эту пропорциональность в равенство, назвали постоянной Фарадея F: k = * Постоянная Фарадея равна произведению двух констант – постоянной Авогадро и заряда электрона: F = Na * e = 6,02*10 23 моль -1 *1,6*10 -19 Кл ≈ 9,6*10 4 Кл/моль Физический смысл электрохимического эквивалента: отношение массы иона к его заряду. = m0i , e n = q0i  k = измеряя m и q, можно определить электрохимические эквиваленты различных веществ. Объединенный закон Фарадея для электролиза: m = kIt (см.п.1), k = * (см.п.2)  m = Q = n – валентность химического элемента Как следует из объединенного закона Фарадея, если на электроде выделяется моль одновалентного вещества, то m = M, n = 1, F = Q. Постоянная Фарадея численно равна заряду, который надо пропустить через раствор электролита, чтобы выделить на электроде 1 моль одновалентного вещества. Электролиз применяется: Гальванопластика, т.е. копирование рельефных предметов. Гальваностегия, т.е. нанесение на металлические изделия тонкого слоя другого металла (хром, никель, золото). Очистка металлов от примесей (рафинирование металлов). Электрополировка металлических изделий. При этом изделие играет роль анода в специально подобранном электролите. На микронеровностях (выступах) на поверхности изделия повышается электрический потенциал, что способствует их первоочередному растворению в электролите. Получение некоторых газов (водород, хлор). Получение металлов из расплавов руд. Именно так добывают алюминий.

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 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:

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 = q0nvS, 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.

Что является носителем электрического заряда в металлах

Направленное движение электрических зарядов называется электрическим током. Носителями зарядов в зависимости от типа проводника могут быть электроны и ионы. В металлических проводниках – это свободные электроны, или электроны проводимости, в гальванических ваннах, т. е. в растворах электролитов, – положительные и отрицательные ионы. Тела или вещества, в которых можно создать электрический ток, называют проводниками электрического тока. Проводниками являются все металлы, водные растворы солей или кислот, ионизованные газы.

При движении свободных заряженных частиц происходит перенос заряда. Количественной характеристикой – силой $$ I$$ тока – принято считать скорость переноса заряда через любое поперечное сечение проводника, т. е. количество заряда, перемещённого через «контрольную поверхность», на которой осуществляется подсчёт пересёкшего её заряда, в единицу времени:

где `q` – заряд, прошедший через произвольное фиксированное поперечное сечение проводника за время от `0` до `t`. Если сила тока не изменяется со временем, ток называют постоянным. Единица измерения силы тока в системе СИ называется ампером (А) (в честь А.М. Ампера – французского учёного XIX века) и вводится через магнитное взаимодействие токов.

Один ампер есть сила такого тока, поддерживаемого в двух бесконечных (очень длинных) прямолинейных параллельных проводниках ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенных на расстоянии `1`м в вакууме, при котором в расчёте на `1` метр длины проводника действует сила `F=2*10^(-7) «Н»`.

Единица измерения силы тока ампер, наряду с метром, секундой, килограммом, является основной единицей системы СИ. Единица измерения заряда кулон (Кл) является производной и вводится в соответствии с (1): один кулон – это электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока $$ 1\mathrm$$ за $$ 1\mathrm$$, т. е. $$ 1\mathrm=1\mathrm·1\mathrm.$$

За направление электрического тока принимают направление, в котором движутся положительно заряженные носители тока.

Отношение силы `I` тока к площади `S` поперечного сечения проводника называется плотностью тока:

которая равна силе тока в расчёте на единицу площади поперечного сечения.

По проводу течёт постоянный ток. Через произвольное поперечное сечение за время `t=2` мин протёк заряд `q=1,2` Кл. Найдите силу `I` тока в проводе и его плотность `j`. Площадь поперечного сечения проводника `S=0,5 «мм»^2`.

Силу тока определим по формуле (1):

плотность тока найдём по формуле (2):

Согласно модели, предложенной Нильсом Бором, в основном состоянии атома водорода электрон движется вокруг покоящегося протона по круговой орбите радиуса `r=0,53*10^(-10)` м со скоростью `v=2,2*10^6` м/с. Какой величине `I` тока эквивалентно движение электрона по орбите? Каково направление этого тока? Элементарный заряд `e=1,6*10^(-19)` Кл.

В рассматриваемой модели электрон обращается вокруг протона с периодом `T=(2pir)/v`. За `t=1` с электрон пересечёт любую контрольную поверхность, на которой происходит подсчёт переносимого заряда, `nu=1/T` раз. Тогда через эту поверхность за `t=1` с пройдёт заряд `q=e*nu`, т. е. сила эквивалентного тока в соответствии с (1) равна

Поскольку электрон – отрицательно заряженная частица, то направление рассматриваемого тока противоположно направлению движения электронов.

Свободные носители электрического заряда в металлах, жидкостях и газах — Постоянный ток — ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Электрический ток в металлах обусловлен упорядоченным движением свободных электронов (электронов проводимости).

Положительные ионы участия в переносе заряда не принимают.

Электронная природа носителей тока в металлах объясняется следующим образом (рис. 3.24). Кристаллическая решетка металла состоит из положительно заряженных ионов, расположенных в узлах решетки, и электронов, свободно передвигающихся между узлами. Эти электроны — валентные электроны атомов металла, покинувшие свои атомы. Свободные электроны совершают беспорядочное движение по кристаллу, «не помня» уже, какому атому они принадлежали. Их называют также электронным газом. Конечно, при этом сумма всех положительных зарядов ионов решетки равна суммарному отрицательному заряду всех свободных электронов, так что металл остается незаряженным, или электронейтральным.

Не следует думать, что под действием электрического тока все электроны в проводнике устремляются в одном направлении. У них просто появляется преимущественное направление движения (вдоль поля), которое накладывается на хаотическое движение в отсутствие поля (рис. 3.25).

При этом средняя скорость их движения составляет несколько миллиметров в секунду. А вот скорость распространения самого электрического поля — порядка 3 ·108 м/с. С этой 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 было доказано опытами Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (качественно), Б. Стюартом и Р. Томсоном — с получением количественных результатов (1916 г.).

Схема опыта изображена на рис. 3.26. 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.)

Объяснение многих свойств металлов, в частности, его электрических свойств (закон Ома), дает 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 электронов между собой пренебрегают, а взаимодействие с положительными ионами решетки сводят только к соударениям.

Для объяснения закона Ома на основе классической электронной теории металлов необходимо найти выражение для средней скорости и направленного упорядоченного движения электронов в электрическом поле напряженностью Е и подставить в известную формулу для силы тока I:

где qQ = е — заряд электрона, n — концентрация электронов, S — площадь поперечного сечения проводника.

Электроны в металле, участвуя в тепловом движении, постоянно сталкиваются с ионами решетки. Так как масса электрона во много раз меньше массы иона, то после очередного столкновения все направления скорости равновероятны. Это означает, что начальная скорость после очередного столкновения может иметь любое направление и, значит, среднее значение вектора начальной скорости равно нулю, и начальная скорость не оказывает влияния на среднюю скорость направленного движения электронов. Это позволяет считать, что средняя скорость упорядоченного движения электронов v равна произведению ускорения на среднее время движения электрона между двумя соударениями с ионами: . Используя 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.

Далее, подставляя полученное уравнение в выражение 1= q0nvS, получим:

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

Однако классическая электронная теория не в состоянии объяснить многие экспериментальные зависимости, например, зависимость сопротивления от температуры. Связано это с тем, что движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики, а не классической механики Ньютона.

Электрический ток в газах

Процесс протекания электрического тока через газ называется газовым разрядом.

При комнатных температурах газы практически не проводят электрический ток, так как состоят из нейтральных атомов, т. е. являются диэлектриками.

При нагреве или облучении ультрафиолетовым светом, рентгеновскими лучами либо другим видом излучения атомы газа получают дополнительную энергию, которая может привести к ионизации. Так, например, при нагреве за счет увеличения скорости молекул часть из них при столкновениях друг с другом распадается на положительно заряженные ионы и электроны.

Проводимость газов обеспечивается как электронами, так и положительно заряженными ионами.

Рекомбинация — процесс воссоединения электрона с положительным ионом — наблюдается, если прекратить действие ионизатора. Если внешнее поле отсутствует, то при действии ионизатора устанавливается динамическое равновесие между количеством исчезающих и вновь образующихся пар заряженных частиц.

Несамостоятельный разряд в газе, ионизованном каким-либо ионизатором, возникает в постоянном поле и существует до тех пор, пока существует ионизирующий агент. ВАХ несамостоятельного разряда представляет собой кривую, выходящую на насыщение.

Самостоятельный разряд. При некотором напряжении, зависящем от рода газа, давления и расстояния между электродами, происходит пробой и зажигаетсясамостоятельный разряд, который не нуждается больше во внешнем ионизаторе. Ток через трубку при этом резко возрастает.

Причиной возникновения самостоятельного разряда является ионизация электронным ударом. При соударении атома с электроном, который разгоняется электрическим полем Е до энергии, достаточной для ионизации атома, образуются два электрона, которые при своем движении к аноду также разгоняются и, сталкиваясь на своем пути с другими атомами, ионизуют их, в результате возникает электронная лавина.

Для обеспечения длительного самостоятельного разряда, кроме ионизации электронным ударом, необходима еще эмиссия (испускание) электронов с катода. Такая эмиссия может быть обеспечена либо за счет термоэлектронной эмиссии из катода (испускания электронов из металла при нагреве), либо за счет выбивания электронов из катода положительными ионами с большой кинетической энергией.

Электрический ток в электролитах

Электролиз. Электролитами, или проводниками второго рода, называются вещества, в которых прохождение электрического тока сопровождается электролизом. Электролиз— это выделение на электродах составных частей растворенных веществ или продуктов вторичной реакции.

В электролитах, являющихся водными растворами (или расплавами) кислот, щелочей, солей, перенос заряда осуществляется ионами. Такая проводимость называется ионной.

Закон электролиза установлен опытным путем М. Фарадеем.

Масса вещества, выделившегося на электроде за время Δt при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и времени:

Величину k называют электрохимическим эквивалентом данного вещества и выражают в кг/Кл. Электрохимический эквивалент численно равен массе вещества, выделившегося на электродах при переносе ионами заряда

Можно показать, что

где е — заряд электрона, NA — число Авогадро, М — молярная (или атомная) масса вещества, n — валентность иона, т. е. k = — электрохимический эквивалент равен отношению массы иона к его заряду.

Таким образом, измеряя величины m и Δq, можно определить электрохимические эквиваленты различных веществ.

Формулы могут быть использованы для определения заряда электрона:

Все входящие в эту формулу величины либо известны (М, n, NA), либо измеряются (m, I, Δt). Именно таким образом в 1874 г. было определено значение е = 1,6 · 10-19 Кл.

Библиотека образовательных материалов для студентов, учителей, учеников и их родителей.

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы из сети Интернет, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

© 2014-2023 Все права на дизайн сайта принадлежат С.Є.А.

Металлы. Носители заряда

Электрический ток в металлах. Электролитическая диссоциация. Электролиз

Самыми хорошими проводниками электрического тока
являются металлы. Металлы являются проводниками как в
твёрдом, так и в жидком состоянии. При прохождении
электрического тока через металлические проводники не
изменяются ни их масса, ни их химический состав. Следовательно,
атомы металлов не участвуют в переносе электрических
зарядов. Исследования природы электрического тока в металлах
показали, что перенос электрических зарядов в них
осуществляется только электронами.

3. Процесс образования носителей зарядов

Всем металлам присущи такие характеристики, как:
малое количество электронов на внешнем энергетическом уровне
(кроме некоторых исключений, у которых их может быть 6,7 и 8);
большой атомный радиус;
низкая энергия ионизации.
Все это способствует легкому отделению внешних неспаренных
электронов от ядра. При этом свободных орбиталей у атома
остается очень много. Схема образования металлической связи как
раз и будет показывать перекрывание многочисленных
орбитальных ячеек разных атомов между собой, которые в
результате и формируют общее внутрикристаллическое
пространство. В него подаются электроны от каждого атома,
которые начинают свободно блуждать по разным частям решетки.
Периодически каждый из них присоединяется к иону в узле
кристалла и превращает его в атом, затем снова отсоединяется,
формируя

4. Законы

В классической электронной теории металлов предполагается, что
движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В
этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между
собой. Классическая электронная теория качественно объясняет
законы электрического тока в металлических проводниках и
объясняет существование электрического сопротивления
металлов.
для металлов ни при каких условиях не удалось заметить отклонений
от пропорциональности между плотностью тока и напряженностью
электрического поля. Даже при плотностях тока 109 А/м2, что
значительно выше обычной плотности в миллион раз, отклонение от
закона Ома не будет превышать одного процента.

5. Вольт-амперная характеристика металлов.

Сила тока в проводниках по закону Ома прямо
пропорциональна
напряжению.
Такая
зависимость имеет место для проводников со
строго заданным сопротивлением ( для
резисторов ).
Но так как сопротивление металлов зависит
от температуры, то вольт-амперная
характеристика металлов не является
линейной.
Удельное сопротивление, а следовательно, и
сопротивление металлов, зависит от
температуры,
увеличиваясь
с
ее
ростом.

6.

Температурная зависимость сопротивления
проводника объясняется тем, что
1.возрастает интенсивность рассеивания
(число столкновений) носителей
2.изменяется
их
концентрация
при
нагревании проводника.
При не слишком высоких и не слишком низких температурах
зависимости удельного сопротивления и сопротивления
проводника от температуры выражаются формулами:
ρt=ρ0(1+αt),
Rt=R0(1+αt),
Тангенс угла наклона графика равен проводимости
проводника. Проводимостью называется величина,
обратная сопротивлению
где G — проводимость.

7. Особенности электропроводности металлов

Концентрация электронов в металлах велика 5 .1021 –
5.1022 е/см3 и слабо зависит от внешних воздействий.
Почти каждый атом решетки металла освобождает
свой электрон, образуя электронный газ. (Электронный
газ – модель свободных электронов, согласно которой
часть атомных электронов может свободно перемещаться
по всему проводнику)
Электрическое поле внутри металла равно нулю, т.к.
движение электронов(смещение их к внешним
поверхностям) мгновенно компенсирует любое внешнее
поле. Дрейфовая скорость электронов мала — мм/сек ,
тепловая скорость велика – тысячи км/сек .
Более 25 химических элементов — металлов при очень
низких температурах становятся сверхпроводниками. У
каждого из них своя критическая температура перехода в
состояние с нулевым сопротивлением. Самое низкое
значение ее у вольфрама — 0,012К, самое высокое у
ниобия — 9К.

8.

Вещества в сверхпроводящем состоянии
обладают необычными свойствами:
1. электрический ток в сверхпроводнике может
существовать длительное время без источника
тока;
2. внутри вещества в сверхпроводящем состоянии
нельзя создать магнитное поле:
3. магнитное поле разрушает состояние
сверхпроводимости. Сверхпроводимость —
явление, объясняемое с точки зрения квантовой
теории. Достаточно сложное его описание
выходит за рамки школьного курса физики.

9.

Широкому применению сверхпроводимости до недавнего времени
препятствовали трудности, связанные с необходимостью охлаждения до
сверхнизких температур, для чего использовался жидкий гелий. Тем не менее,
несмотря на сложность оборудования, дефицитность и дороговизну гелия, с
60-х годов XX века создаются сверхпроводящие магниты без тепловых
потерь в их обмотках, что сделало практически возможным получение
сильных магнитных полей в сравнительно больших объемах.
Сверхпроводники используются в различных измерительных приборах,
прежде всего в приборах для измерения очень слабых магнитных полей с
высочайшей точностью.
В настоящее время в линиях электропередачи на преодоление сопротивления
проводов уходит 10 — 15% энергии. Сверхпроводящие линии или хотя бы вводы
в крупные города принесут громадную экономию. Другая область применения
сверхпроводимости — транспорт.
В настоящее время созданы керамические материалы, обладающие
сверхпроводимостью при более высокой температуре — свыше 100К, то есть
при температуре выше температуры кипения азота. Возможность охлаждать
сверхпроводники жидким азотом, который имеет на порядок более высокую
теплоту парообразования, существенно упрощает и удешевляет все
криогенное оборудование, обещает огромный экономический эффект.

10.

Техническое применение электрического тока в
металлах:
обмотки двигателей, трансформаторов,
генераторов, проводка внутри зданий, сети
электропередачи, силовые кабели.
Закалка металлов током высокой частоты
Резка и сварка металлов электродами

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *