Что является носителем тока в металлах
Перейти к содержимому

Что является носителем тока в металлах

  • автор:

1. Электрический ток в металлах, полупроводниках, жидкостях и газах. Действия тока

647px-Zinc-selenide-unit-cell-3D-balls.png

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение.
Модель металла — кристаллическая решётка (рис. 1 ) , в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение.

Рис. 1 . Изображение кристаллической решетки
Ионами называют атомы и молекулы, имеющие либо избыток, либо недостаток электронов.
Ионизацией называют процесс присоединения или отрывания электронов от нейтральных атомов и молекул.

Отрицательными ионами называют атомы и молекулы, присоединившие к себе лишние электроны — приобретшие отрицательный заряд .

Положительными ионами называют атомы и молекулы, потерявшие электроны — приобретшие положительный заряд .

Положительные ионы располагаются в узлах кристаллической решётки. Свободные электроны движутся в пространстве между ними (рис. 2 ).

Рис. 2 . Изображение свободных электронов

В невозбуждённом состоянии атом любого вещества имеет одинаковое количество электронов и протонов, поэтому суммарный их заряд равен нулю. Говорят, что атом электрически нейтрален .

Процесс электризации тела представляет собой приобретение или потерю этим телом электронов и ионов. Подвижными носителями зарядов в твёрдых металлов являются только электроны. При электризации металлических тел с одного на другое переходят только электроны.

В твёрдых телах ионы связаны молекулярными силами и находятся в узлах кристаллической решётки.
Связанным называется электрон, который находится в атоме или молекуле.

Свободным называется электрон, оторвавшийся и не присоединившийся к другим молекулам и атомам, существующий как самостоятельная частица.

Электрический ток в металлах обусловлен наличием свободных подвижных электронов, совокупность которых называют электронным газом .

Электрически нейтральным будет называться вещество, в котором количество положительных зарядов равно количеству отрицательных зарядов.

Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.
Какова же скорость движения электронов в проводнике под действием электрического поля?

Оказывается, скорость движения электронов в проводнике чрезвычайно мала, всего лишь несколько миллиметров в секунду. Почему же тогда лампочка загорается сразу после нажатия на выключатель? Все дело в том, при включении света в проводнике возникает электрическое поле (скорость его распространения около 300 000 км/с), которое заставляет

электроны двигаться в одном направлении по всей длине проводника.

Подтверждением того, что ток в металлах обусловлен движением электронов, явились многочисленные опыты, например, опыт Мандельштама и Папалекси (1916 г.). Цель опыта состояла в проверке того, есть ли масса у носителя электрического тока — электрона. Если масса у электрона есть, то он должен подчиняться законам механики, в частности, закону инерции. К примеру, если движущийся проводник резко затормозить, то электроны ещё некоторое время будут двигаться в том же направлении по инерции.
Для этой проверки исследователи вращали катушку с проходящим током, а затем резко останавливали её. Возникающий бросок тока регистрировали с помощью телефона.
По щелчку тока в телефонах Мандельштам и Папалекси установили, что электрон обладает массой. Но измерить эту массу они не смогли. Поэтому этот опыт — качественный. Позже американские физики Толмен и Стюарт, используя ту же идею вращения катушки, измерили массу электрона. Для этого они измеряли возникающий при торможении катушки заряд на её выводах.

Электрический ток может существовать не только в металлах, но и в других средах: в полупроводниках, газах и растворах электролитов. Носители электрических зарядов в разных средах разные.

Обрати внимание!

Так, в растворах электролитов (солей, кислот и щелочей) носителями являются положительные и отрицательные ионы, в газах — положительные и отрицательные ионы, а также электроны. В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки (дырка — придуманная частица для объяснения механизма проводимости, по сути — свободное место, не занятое электроном).

Из полупроводников изготавливают полупроводниковые приборы (рис. 3 ).

transistor-903642_640.png

Рис. 3 . Изображение транзистора

Полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток — являются диэлектриками. При воздействии на полупроводник светом, добавлением примесей или при нагревании появляются свободные носители зарядов, которые при своём направленном движении создают электрический ток. Полупроводник становится проводником.

Свойство полупроводников изменять электропроводность при нагревании используется в термометрах.

Свойство полупроводников изменять электропроводность под воздействием света используется в фотосопротивлениях для создания сигнализации, при сортировке деталей.

В экстренных ситуациях они позволяют автоматически останавливать станки и конвейеры, предупреждая несчастные случаи.

Исторически принято следующее:
Направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике.

При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения электронов: движение электронов показано зеленой стрелкой, а направление тока — красной стрелкой (рис. 4 ).

Current_notation.png

Рис. 4 . Изображение направлений тока и движения электронов
Прохождение тока по проводнику сопровождается следующими его действиями:
• Магнитным (наблюдается во всех проводниках).

Используя это свойство, можно найти место обрыва фазового провода приборами, реагирующими на изменения в электромагнитном поле, к примеру, индикаторной отвёрткой с фазоискателем.

Магнитное действие тока используют в устройстве гальванометра. Для этой цели между полюсами магнита помещают легкую рамку с витками провода. При протекании тока она поворачивается, увлекая за собой стрелку (рис. 5 ).

814px-A_moving_coil_galvanometer._Wellcome_M0016397.png

Рис. 5 . Изображение гальванометра Д’Арсонваля
Чем больше ток, тем больше поворачивается рамка, и тем больше отклонение стрелки гальванометра.

Магнитное действие тока проявляется вне зависимости от агрегатного состояния вещества. При замыкании ключа можно наблюдать, как проволока, намотанная на гвоздь, начинает притягивать небольшие железные предметы. Это свойство широко используется в грузоподъёмных электромагнитах.

• Тепловым (наблюдается во всех проводниках, кроме сверхпроводников).

При прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается. Это явление проявляется в любых устройствах, имеющих нагревательный элемент: фен, плойка, электроплита, калорифер, стиральная машина, тостер, электровафельница и т.д. И даже спираль лампочки накаливания нагревается током до яркого накаливания. Под действием тока нагревается и провисает проволока.

• Химическим (наблюдается в электролитах).

Химическое действие тока применяется для покрытия одного металла слоем другого металла, например, при хромировании и никелировании.

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.

Что является носителем тока в металлах

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.

Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты (1913 г.) принадлежат русским физикам Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси. В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.

Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рис. 1.12.1. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру Г . Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.

Рисунок 1.12.1.

Схема опыта Толмена и Стюарта

При торможении вращающейся катушки на каждый носитель заряда действует тормозящая сила которая играет роль сторонней силы, то есть силы неэлектрического происхождения. Сторонняя сила, отнесенная к единице заряда, по определению является напряженностью поля сторонних сил:

Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая сила , равная

где – длина проволоки катушки. За время торможения катушки по цепи протечет заряд , равный

Здесь – мгновенное значение силы тока в катушке, – полное сопротивление цепи, υ0 – начальная линейная скорость проволоки.

Отсюда удельный заряд свободных носителей тока в металлах равен:

Все величины, входящие в правую часть этого соотношения, можно измерить. На основании результатов опытов Толмена и Стюарта было установлено, что носители свободного заряда в металлах имеют отрицательный знак, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было установлено, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.

По современным данным модуль заряда электрона ( элементарный заряд ) равен

а его удельный заряд есть

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

Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории . Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла (рис. 1.12.2).

Рисунок 1.12.2.

Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов

Из-за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так называемый потенциальный барьер . Высота этого барьера называется работой выхода . При обычных (комнатных) температурах у электронов не хватает энергии для преодоления потенциального барьера.

Из-за взаимодействия с кристаллической решеткой потенциальная энергия выхода электрона внутри проводника оказывается меньше, чем при удалении электрона из проводника. Электроны в проводнике находятся в своеобразной «потенциальной яме», глубина которой и называется потенциальным барьером.

Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в тепловом движении. Ионы совершают тепловые колебания вблизи положений равновесия – узлов кристаллической решетки. Свободные электроны движутся хаотично и при своем движении сталкиваются с ионами решетки. В результате таких столкновений устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это позволяет оценить среднюю скорость теплового движения электронов по формулам молекулярно-кинетической теории. При комнатной температуре она оказывается примерно равной 10 5 м/с.

При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток. Среднюю скорость дрейфа можно оценить из следующих соображений. За интервал времени Δ через поперечное сечение проводника пройдут все электроны, находившиеся в объеме

Число таких электронов равно где – средняя концентрация свободных электронов, примерно равная числу атомов в единице объема металлического проводника. Через сечение проводника за время Δ пройдет заряд Отсюда следует:

Концентрация атомов в металлах находится в пределах 10 28 –10 29 м –3 .

Оценка по этой формуле для металлического проводника сечением 1 мм 2 , по которому течет ток 10 А, дает для средней скорости упорядоченного движения электронов значение в пределах 0,6–6 мм/c. Таким образом, средняя скорость упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше средней скорости их теплового движения Рис. 1.12.3 дает представление о характере движения свободного электрона в кристаллической решетке.

Рисунок 1.12.3.

Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а движение электрона в кристаллической решетке металла; b движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа сильно преувеличены

Малая скорость дрейфа на противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического поля со скоростью . Через время порядка ( – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля и в ней начинается упорядоченное движение электронов.

В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом поле энергию и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.

Несмотря на то, что все эти допущения являются весьма приближенными, классическая электронная теория качественно объясняет законы электрического тока в металлических проводниках.

Закон Ома . В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равная по модулю , в результате чего он приобретает ускорение Поэтому к концу свободного пробега дрейфовая скорость электрона равна

где τ – время свободного пробега, которое для упрощения расчетов предполагается одинаковым для всех электронов. Среднее значение скорости дрейфа равно половине максимального значения:

Рассмотрим проводник длины и сечением с концентрацией электронов . Ток в проводнике может быть записан в виде:

где = – напряжение на концах проводника. Полученная формула выражает закон Ома для металлического проводника. Электрическое сопротивление проводника равно:

а удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются соотношениями:

Закон Джоуля–Ленца. К концу свободного пробега электроны под действием поля приобретают кинетическую энергию

Согласно сделанным предположениям вся эта энергия при соударениях передается решетке и переходит в тепло.

За время Δ каждый электрон испытывает Δ соударений. В проводнике сечением и длины имеется электронов. Отсюда следует, что выделяемое в проводнике за время Δ тепло равно:

Это соотношение выражает закон Джоуля–Ленца.

Таким образом, классическая электронная теория объясняет существование электрического сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля–Ленца. Однако в ряде вопросов классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом.

Эта теория не может, например, объяснить, почему молярная теплоемкость металлов, также как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3, где – универсальная газовая постоянная (закон Дюлонга и Пти, см. ч. I, § 3.10). Наличие свободных электронов на сказывается на величине теплоемкости металлов.

Классическая электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов. Теория дает соотношение в то время как из эксперимента получается зависимость ρ ~ . Однако наиболее ярким примером расхождения теории и опытов является сверхпроводимость .

Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. При более низких температурах порядка нескольких кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. Однако наибольший интерес представляет удивительное явление сверхпроводимости , открытое датским физиком Х. Каммерлинг-Оннесом в 1911 году. При некоторой определенной температуре кр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис. 1.12.4). Критическая температура у ртути равна 4,1 К, у аллюминия 1,2 К, у олова 3,7 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у элементов, но и у многих химических соединений и сплавов. Например, соединение ниобия с оловом (Ni3Sn) имеет критическую температуру 18 К. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах. В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.

Рисунок 1.12.4.

Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры при низких температурах: a металл; b

Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают исключительными свойствами. Практически наиболее важным их них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи.

Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений.

Научный интерес к сверхпроводимости возрастал по мере открытия новых материалов с более высокими критическими температурами. Значительный шаг в этом направлении был сделан в 1986 году, когда было обнаружено, что у одного сложного керамического соединения кр = 35 K. Уже в следующем 1987 году физики сумели создать новую керамику с критической температурой 98 К, превышающей температуру жидкого азота (77 К). Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота, было названо высокотемпературной сверхпроводимостью . В 1988 году было создано керамическое соединение на основе элементов с критической температурой 125 К.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями кр. Ученые надеятся получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если это произойдет, это будет настоящей революцией в науке, технике и вообще в жизни людей.

Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.

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.

Какие частицы являются носителями электрического тока в металлах ? а. Положительные ионы b.отрицательные ионы
с.положительные ионы и электроны
d.свободные электроны

detichelenin

Носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.

Новые вопросы в Физика

Яку масу льоду (приблизно) можна розтопити, якщо спалити у спиртівці 20 г спирту? ККД спиртівки 15%, лід взятий за температури плавлення. Питома тепло … та плавлення льоду 333,5 кДж/кг, питома теплота згоряння спирту дорівнює 29 МДж/кг.

Чому дорівнює корисна потужність теплового двигуна, якщо за 1 хвилину у ньому згорає 50 г дизельного палива? ККД двигуна дорівнює 20%. Відповідь вкажі … ть у кВт. Питома теплота згоряння дизельного палива дорівнює 42 МДж/кг.

СРОЧНО. ПОЖАЛУСТА ПОМОГИТЕСтворити презентацію чи зняти відео на довільну тему з розділу «Теплові явища»

Носители электрического тока

Носители электрического тока — это заряженные частицы или квазичастицы, которые могут свободно перемещаться внутри проводников и создавать электрический ток. Носителями электрического заряда могут являться:

  • в металлах — электроны,
  • в электролитах — ионы (катионы и анионы),
  • в газах — ионы и электроны,
  • в вакууме при определённых условиях — электроны,
  • в полупроводниках — электроны или дырки (электронно-дырочная проводимость).

Электричество в наши дни принято определять как «электрические заряды и связанные с ними электромагнитные поля». Само существование электрических зарядов обнаруживается через их силовое воздействие на другие заряды. Пространство вокруг всякого заряда обладает особыми свойствами: в нем действуют электрические силы, проявляющиеся при внесении в это пространство других зарядов. Такое пространство является силовым электрическим полем.

Пока заряды неподвижны, пространство между ними обладает свойствами электрического (электростатического) поля. Но когда заряды движутся, то вокруг них возникает также магнитное поле. Мы рассматриваем порознь свойства электрического и магнитного полей, но в действительности электрические процессы всегда связаны с существованием электромагнитного поля.

Носители электрического тока

Мельчайшие электрические заряды входят как составные части в атом. Атом есть наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств. Атом является весьма сложной системой. Его масса в большей своей части сосредоточена в ядре. Вокруг последнего по определенным орбитам обращаются электрически заряженные элементарные частицы — электроны.

Силы тяготения удерживают на орбитах планеты, обращающиеся вокруг солнца, а электроны притягиваются к ядру атома электрическими силами. Из опыта известно, что взаимно притягиваются лишь разноименные заряды. Следовательно, заряды ядра атома и электронов должны быть различными по знаку. По историческим причинам принято считать заряд ядра положительным, а заряды электронов — отрицательными.

Многочисленные опыты показали, что электроны атомов любых элементов обладают одинаковым электрическим зарядом и одинаковой массой. Вместе с тем заряд электрона является элементарным, т. е. наименьшим возможным электрическим зарядом.

Электроны

Принято различать электроны, находящиеся на внутренних орбитах атома и на внешних орбитах. Внутренние электроны относительно прочно удерживаются на своих орбитах внутриатомными силами. Но внешние электроны относительно легко могут отделяться от атома и оставаться некоторое время свободными или присоединяться к другому атому. Химические и электрические свойства атома определяются электронами его внешних орбит.

Открытие электрона — это одно из величайших достижений физики XIX века. Электрон был открыт английским физиком Джозефом Джоном Томсоном в 1897 году, когда он изучал катодные лучи в вакуумной трубке.

Он показал, что катодные лучи состоят из отрицательно заряженных частиц, которые он назвал “корпускулами”, а позже они получили название “электроны”. Он также измерил отношение заряда к массе электрона и предложил модель атома, в которой электроны распределены в положительно заряженной сфере.

Томсон объявил о своем открытии на заседании Лондонского королевского общества 29 апреля 1897 года. За свои исследования он получил Нобелевскую премию по физике в 1906 году.

Открытие электрона стало первым шагом к пониманию структуры атома и субатомных частиц. Электрон является одной из основных элементарных частиц, которые составляют материю, и имеет многочисленные приложения в науке и технике.

Величина положительного заряда ядра атома определяет принадлежность атома к определенному химическому элементу. Атом (или молекула) электрически нейтральны, пока сумма отрицательных зарядов электронов равна положительному заряду ядра. Но атом, потерявший один или несколько электронов, оказывается заряженным положительно вследствие избытка положительного заряда ядра. Он может перемещаться под действием электрических сил (притягиваться или отталкиваться). Такой атом является положительным ионом. Атом, захвативший излишние электроны, становится отрицательным ионом.

Носителем положительного заряда в ядре атома является протон. Это элементарная частица, служащая ядром атома водорода. Положительный заряд протона численно равен отрицательному заряду электрона, но масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Ядра атомов, кроме протонов, содержат также нейтроны — частицы, не обладающие электрическим зарядом. Масса нейтрона в 1838 раз больше массы электрона.

Таким образом, из трех элементарных частиц, образующих атомы, электрическими зарядами обладают только электрон и протон. Но из них лишь заряженные отрицательно электроны могут легко перемещаться внутри вещества, а положительные заряды в обычных условиях могут перемещаться лишь в виде тяжелых ионов, т. е. перенося атомы вещества.

Упорядоченное движение электрических зарядов, т. е движение, имеющее преобладающее направление в пространстве, образует электрический ток. Частицами, движение которых создает электрический ток, — носителями тока в большинстве случаев являются электроны и значительно реже — ионы.

Электричсекий ток

Допуская некоторую неточность, можно определять ток как направленное движение электрических зарядов. Носители тока могут более или менее свободно перемещаться в веществе.

Проводниками называются вещества, относительно хорошо проводящие ток. К числу проводников принадлежат все металлы, в особенности хорошими проводниками являются серебро, медь и алюминий.

Проводимость металлов объясняется тем, что в них часть внешних электронов отщепляется от атомов. Положительные опыты, образовавшиеся вследствие потери этих электронов, связаны в кристаллическую решетку — твердый (ионный) скелет, в промежутках которого находятся свободные электроны в форме своего рода электронного газа.

Малейшее внешнее электрическое поле создает в металле ток, т. е. вынуждает свободные электроны перемешаться в направлении действующих на них электрических сил. Для металлов характерно уменьшение проводимости с увеличением температуры.

Корона на ВЛЭП

Полупроводники проводят электрический ток значительно хуже, чем проводники. К числу полупроводников принадлежит очень большое число веществ, и свойства их весьма разнообразны. Характерным для полупроводников является электронная проводимость (т, е. ток в них создается, как и в металлах, направленным перемещением свободных электронов — не ионов) и, в отличие от металлов, увеличение проводимости при повышении температуры. Вообще для полупроводников характерна также сильная зависимость их проводимости от внешних воздействий — облучения, давления и т. п.

Диэлектрики (изоляторы) практически не проводят ток. Внешнее электрическое поле вызывает поляризацию атомов, молекул или ионов диэлектриков, т. е. смещение под действием внешнего поля упруго связанных зарядок, входящих в состав атома или молекулы диэлектрика. Количество свободных электронов в диэлектриках очень мало.

Нельзя указать жесткие границы между проводниками, полупроводниками и диэлектриками. В электротехнических устройствах проводники служат путем для перемещения электрических зарядов, а диэлектрики нужны, чтобы направить должным образом это движение.

Электрический ток создается вследствие воздействия на заряды сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами. Они создают в проводнике электрическое поле, которое вынуждает положительные заряды перемещаться по направлению действия сил поля, а отрицательные заряды — электроны — в противоположном направлении.

Полезно уточнить представление о поступательном движении электронов в металлах. Свободные электроны находятся в состоянии беспорядочного движения в пространстве между атомами, под обратном тепловому движению молекул. Тепловое состояние тела обусловливается столкновениями молекул друг с другом и столкновениями электронов с молекулами.

Электрон сталкивается с молекулами и меняет направление своего движения, но постепенно все же продвигается вперед, описывая очень сложную кривую. Длительное перемещение заряженных частиц в одном определенном направлении, налагающееся на их беспорядочное движение в разных направлениях, называется их дрейфом. Таким образом, электрический ток в металлах, по современным воззрениям, является дрейфом заряженных частиц.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

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

Свободные носители электрических зарядов в проводниках, Механизмы проводимости твёрдых металлов, растворов и сплавов

Для того, чтобы по проводнику шёл ток, в нём должны присутствовать свободные носители заряда.

�� Это могут быть электроны, ионы или другие частицы!

Самыми распространёнными проводниками считаются МЕТАЛЛЫ, которые имеют электронную проводимость.

‼️ Важно:

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

Электрический ток в вакууме

Из этого видеоурока учащиеся узнают, какие частицы являются носителями заряда в вакууме. Познакомятся с устройством и принципом действия вакуумного диода и электронно-лучевой трубки.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.

Получите невероятные возможности

1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.

2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.

3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ

Конспект урока «Электрический ток в вакууме»

На прошлых уроках мы начали рассматривать условия протекания электрического тока в различных средах. Рассмотрев опыты Мандельштама и Папалекси мы узнали, что носителями тока в металлах являются свободные электроны. Иными словами, металлы обладают электронной проводимостью.

Так же мы с вами выяснили, что в полупроводниках проводимость обусловлена движением электронов и дырок. Напомним, что проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью, а обусловленную движением дырок — дырочной проводимостью полупроводников.

Однако в обоих случаях при прохождение электрического тока в результате тех или иных процессов появляются свободные носители зарядов. А возможно ли распространение электрического тока в вакууме, характеризующимся «отсутствием» вещества, а следовательно, и отсутствием электрических зарядов?

Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Проверим это на опыте. Возьмём сосуд, из которого откачен воздух. В этот сосуд впаяны две металлические пластины — два электрода.

Одни из них (анод) соединим с положительным полюсом источника тока, другой (катод) — с отрицательным. Также включим в цепь чувствительный миллиамперметр. Замкнём цепь — прибор не показывает никакого тока. Это указывает на то, что в вакууме действительно нет никаких свободных носителей зарядов.

Следовательно, для того чтобы в вакууме мог проходить электрический ток, в нем необходимо каким-то образом предварительно «создать» некоторую концентрацию свободных носителей заряда.

Видоизменим опыт. В качестве катода впаяем в сосуд проволочку (нить), концы которой выведем наружу. Эта проволочка по-прежнему останется катодом. С помощью другого источника тока накалим её. Мы заметим, что, как только нить накаляется, миллиамперметр, включённый в цепь, показывает ток, и тем больший, чем сильнее накалена нить. Значит, накалённая нить обеспечивает наличие в вакууме необходимых для существования тока носителей заряда.

Теперь определим заряд этих частиц. Для этого переменим полюсы у впаянных в сосуд электродов: нить сделаем анодом, а противоположный полюс — катодом. И хотя нить по-прежнему накалена и по-прежнему посылает в вакуум заряженные частицы, тока в цепи нет.

Из этого опыта следует, что испускаемые накалённой нитью частицы заряжены отрицательно, так как они отталкиваются от электрода, когда он заряжен отрицательно. Следовательно, носителями тока в вакууме являются электроны.

Явление испускания веществом электронов при нагревании называется термоэлектронной эмиссией. При этом электроны, испускаемые нагретым телом, называют термоэлектронами, а само тело — эмиттером.

Явление термоэлектронной эмиссии было открыто в 1853 году французским физиком Эдмондом Беккерелем. Затем 13 февраля 1880 года Томасом Эддисоном (после этого данное явление назвали эффектом Эдисона). Однако объяснить явление термоэлектронной эмиссии удалось лишь после открытия Джозефа Томсона в 1897 году. В этом году британский физик Оуэн Уиланс Ричардсон начал работу над темой, которую позже назвал «термоэлектронной эмиссией». Согласно его теории, основанной на электронной теории, свободные электроны в металле находятся в хаотическом движении. При накале нити это движение усиливается.

При этом некоторые электроны, приобретая энергию, достаточную для совершения работы выхода, вылетают из нити, образуя около неё «электронное облачко». Когда между нитью и анодом образуется электрическое поле, то электроны летят к электроду, если он присоединён к положительному полюсу батареи, и отталкиваются обратно к нити, если он присоединён к отрицательному полюсу источника, то есть имеет заряд, одноимённый с электронами.

Вакуумные приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии, называются электронными лампами.

Простейшая из них — вакуумный диод — содержит два электрода. Один — в виде спирали из тугоплавкого материала, например вольфрама или молибдена, накаливаемый током, — называется катодом. Второй — холодный электрод, собирающий термоэлектроны, — называется анодом и чаще всего имеет форму цилиндра, внутри которого расположен накаливаемый катод. Условное обозначение вакуумного диода на электрических схемах представлено на рисунке.

Важнейшей характеристикой диода является его вольт-амперная характеристика при постоянном напряжении накала. Для её получения воспользуемся установкой, где применяется диод с катодом косвенного накала. Итак, при напряжении между катодом и анодом, равном нулю, вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него электронное облако (пространственный отрицательный заряд), отталкивающее вылетающие из катода электроны.

Большинство электронов возвращается на катод, и лишь незначительное их число достигает анода. С увеличением анодного напряжения число электронов, достигающих анода, увеличивается, а электронное облако постепенно уменьшается. Когда же все термоэлектроны попадают на анод, сила анодного тока достигает насыщения. Дальнейшее увеличение напряжения не приводит к увеличению анодного тока, то есть ток через диод не зависит от напряжения. Такой ток называется током насыщения. Чтобы увеличить ток насыщения необходимо повысить температуру катода, увеличив силу тока накала.

Из-за того, что вольт-амперная характеристика вакуумного диода оказывается нелинейной, диод является нелинейным элементом. Поскольку ток в лампе возможен только в том случае, когда положительный полюс батареи соединён с анодом, а отрицательный — с катодом, то вакуумные диоды обладают односторонней проводимостью. Действительно, при изменении полярности приложенного напряжения и при его достаточной величине (при задерживающем напряжении) термоэлектроны не достигают анода и ток через лампу не проходит.

Для управления током внутрь лампы вводят дополнительные электроды, которые называются сетками, так как им обычно придают форму металлических сеток или спиралей, окружающих катод. В зависимости от общего числа сеток такие лампы называют триодами (анод, катод, управляющая сетка), тетродами (анод, катод и две сетки) и пентодами (анод, катод и три сетки).

Если в аноде вакуумной лампы сделать отверстие, то часть электронов будет пролетать сквозь него. Их движением можно управлять с помощью электрического и магнитного полей.

Испускаемые катодом потоки электронов, движущихся в вакууме, называют электронными пучками или катодными лучами.

Рассмотрим некоторые свойства электронных пучков.

Во-первых, электроны в пучках движутся по прямым линиям.

Попадая на мишень электронный пучок передаёт ей часть своей кинетической энергии, вызывая нагревание мишени. Это свойство используют для электронной плавки в вакууме сверхчистых металлов.

Так же при торможении быстрых электронных пучков в веществе возникает рентгеновское излучение, широко используемое в рентгеновских трубках.

Было установлено и то, что, попадая на поверхность некоторых веществ, электронные пучки способны вызвать их свечение.

А если пропустить электронный пучок между пластинами заряженного конденсатора, то отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной.

Также электронный пучок отклоняется в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются влево, а пролетая над южным, отклоняются вправо. Так, например, отклонение электронных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что свечение газов верхних слоёв атмосферы (то есть полярное сияние) наблюдается ближе к полюсам Земли.

Помимо всего вышеперечисленного, электронные пучки обладают ещё и ионизирующей способностью, а также способны проходить сквозь очень тонкие металлические пластины толщиной 0,003—0,03 мм.

Прибор, в котором используется пучок электронов, свободно летящих в пространстве за анодом, называется электронно-лучевой трубкой.

Рассмотрим её устройство подробнее. Итак, в узком конце трубки находится электронная пушка, которая формирует пучок электронов и состоит из катода, нагреваемого нитью накала, управляющего электрода и ускоряющего анода.

Электроны, вылетающие из катода, разгоняются электрическим полем (5000—50 000 В) между катодом и анодом. Экран электронно-лучевой трубки покрыт изнутри специальным веществом — люминофором, которое светится под действием падающих электронов. В том месте экрана, куда попадает пучок, появляется маленькая светящаяся точка. Изменяя напряжение на аноде, можно фокусировать электронный пучок. Изменяя напряжение между катодом и управляющим электродом, можно изменять интенсивность электронного пучка (яркость пятна на экране). Пучок проходит последовательно две пары отклоняющих пластин, являющихся плоскими конденсаторами. Меняя на них напряжение можно смещать пучок электронов в горизонтальном и вертикальном направлениях практически мгновенно.

В кинескопах телевизоров вместо отклоняющих пластин используют магнитные отклоняющие катушки. Магнитное поле одной пары катушек вызывает отклонение электронного пучка по горизонтали, второй пары катушек — по вертикали.

Для получения цветных изображений вместо одной пушки используют три, которые передают сигналы трёх одноцветных изображений — красного, синего и зелёного цвета. Кроме того, экран кинескопа покрывается кристаллами люминофора трёх сортов, которые под действием электронного пучка светятся соответственно красным, синим и зелёным светом. Смешением этих цветов можно получить всю цветовую гамму красок и оттенков.

И несмотря на то, что в настоящее время электронно-лучевые трубки вытесняются жидкокристаллическими и плазменными экранами, они всё ещё находят широкое применение в радиолокационных установках, телевизорах, осциллографах и так далее.

Ну а теперь давайте с вами определим скорость электронов, вылетающих из электронной пушки под действием приложенного напряжения в 750 В.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *