ГРУППА  303.  ФИЗИКА.  ТЕМА   «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ»

       Все тела по проводимости электрического тока делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Для того чтобы электрическую энергию доставить от источника тока потребителю составляют электрические цепи. В большинстве случаев в электрической цепи используются металлические провода. По физической природе зарядов – носителей электрического тока, электропроводность подразделяют  на:

А) электронную,

Б) ионную,

В) смешанную.

Какие заряженные частицы движутся в металлах при наличии тока?

    После открытия в 1897 году английским ученым Дж. Дж. Томсоном электрона стали разрабатываться теории, объясняющие электропроводность металлов. Автором первой теории был Пауль Друде – немецкий физик. Эта теория нуждалась в опытном обосновании. В 1901 г. немецкий физик Э. Рикке  поставил опыт по исследованию прохождения тока в металлах.

Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют. Впоследствии вопросом проводимости металлов заинтересовались и другие учёные. В 1913 году российские учёные Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси провели опыты по исследованию проводимости металлов. Суть опытов сводилась к тому, что катушка, на которую наматывали металлическую  проволоку  приводили во вращательное движение и резко тормозили. При торможении электроны продолжали двигаться по инерции и гальванометр, соединенный с катушкой фиксировал появление тока. По направлению отклонения стрелки гальванометра было установлено, что ток создается движением отрицательно заряженных частиц. На основании измерения отношения заряда частиц к их массе выяснилось, что ток создается движением свободных электронов. Аналогичный опыт был поставлен в 1916 году американскими учеными Т. Стюартом и  Р.Толменом. Результаты опытов говорили, что ток в металлах создается движением электронов.

После анализа имеющихся данных о прохождении тока в металлах разными учеными была разработана современная классическая теория проводимости тока металлами. Основные положения электронной теории проводимости металлов.

1. Металл можно описать следующей моделью: кристаллическая решетка ионов погружена в идеальный электронный газ, состоящий из свободных электронов. У большинства металлов каждый атом ионизирован, поэтому концентрация свободных электронов приблизительно равна концентрации атомов 1023- 1029м-3 и почти не зависит от температуры.

2.Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном хаотическом движении.

3. Электрический ток в металле образуется только за счет упорядоченного движения свободных электронов.

   Опираясь на данную  теорию, удалось объяснить основные законы электрического тока в металлах.  Исходя из электронной теории, можно найти связь между силой тока в металлах и скоростью движения электронов.

Сила тока равна произведению заряда электрона, их концентрации, площади сечения проводника и средней скорости движения электронов:                   

Отсюда   

        По формуле можно найти среднюю скорость движения электронов.

Если в эту формулу подставлять числовые данные силы тока, концентрации и площади сечения для разных металлов, то мы увидим, что средняя скорость движения электронов составляет  всего  лишь какие-то доли миллиметра в секунду. Когда  говорят  о скорости распространения тока, имеют в виду скорость распространения электрического поля в проводнике, которое равно скорости света.

На силу тока в проводнике влияет и сопротивление проводника. Опыт показывает, что сопротивление металлов зависит от температуры. Увеличение сопротивления можно объяснить тем, при повышении температуры увеличивается скорость и амплитуда хаотического движения ионов кристаллической решетки металла и свободных электронов. Это приводит к более частым их соударениям, что затрудняет направленное движение электронов, то есть увеличивает электрическое сопротивление.

Зависимость сопротивления металлов от температуры выражается формулой:

,

где   

        При нагревании размеры проводника практически не меняются, в основном меняется удельное сопротивление. Учет зависимости сопротивления от температуры используется в термометрах сопротивления.

Формула зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры имеет вид:

где ρ₀ - удельное сопротивление при 0 градусов,

t - температура,

α - температурный коэффициент сопротивления.

Графиком зависимости ⍴(t) является  прямая.

Хотя коэффициент α довольно мал, учет зависимости сопротивления от температуры при расчете нагревательных приборов совершенно необходим.

      При понижении температуры сопротивление металлов должно уменьшаться. В 1911 году датский физик Х. Каммерлинг - Оннес открыл явление, названное сверхпроводимостью. Исследуя зависимость сопротивления ртути от температуры, он обнаружил, что при температуре 4,12 К сопротивление ртути исчезает. В сверхпроводящее состояние могут перейти многие химические соединения и сплавы. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах.

Вещества, находящиеся в сверхпроводящем состоянии, приобретают новые свойства. Наиболее важным из них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток в проводниках.

Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Теоретическое объяснение явления сверхпроводимости на основе квантово-механических представлений было дано учеными Дж. Бардиным, Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) в 1957 г. В 1986 году была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).

В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ, переходящими в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре. Ученые надеются получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если удастся создать сверхпроводник при нормальной температуре, то будет решена проблема передачи электроэнергии по проводам без потерь.

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

Открытие вещества, переходящего в сверхпроводящее состояние при комнатной температуре, позволило бы упростить решение многих технических вопросов.

 Во-первых, отсутствие сопротивления означает отсутствие каких-либо потерь на нагревании. Отсутствие нагревания и потерь энергии на него чрезвычайно важно для электродвигателей и электронной вычислительной техники, а также для передачи электроэнергии.

В сверхпроводниках из-за отсутствия сопротивления протекают чрезвычайно высокие токи, создающие сильные магнитные поля, что может применяться при термоядерном синтезе для удержания высокотемпературной плазмы в реакторе.

На сегодняшний момент в некоторых странах существует железнодорожная сеть с поездами на магнитной подушке. После открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннес, пытаясь создать сверхпроводящий электромагнит, обнаружил, что изменение тока, или же магнитные поля, разрушают эффект сверхпроводимости. Только к середине двадцатого века удалось создать сверхпроводящие электромагниты. На данный момент продолжаются исследования по изучению высокотемпературной сверхпроводимости.

Разбор типовых тренировочных заданий

1. Сопротивление железного проводника при 0 ⁰ С и 600 ⁰С равны соответственно 2 Ом и 10 Ом. Каков температурный коэффициент железа?

Решение:

Зависимость сопротивления металлов от температуры определяется формулой

 Из этой  формулы выразим температурный коэффициент железа – α

После подстановки числовых данных получаем                 

ЗАДАНИЕ

1. Ответить на вопросы теста. Вы сможете на него ответить, если внимательно прочитаете изложенный конспект.

1. В обычных условиях металлы электрически нейтральны. Это объясняется тем, что у них:
а) отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов
б) число отрицательных ионов равно по абсолютному значению числу положительных ионов
в) плохая электропроводимость

2. Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение:
а) ионов
б) электронов
в) протонов

3. Для того чтобы в проводнике возник электрический ток, необходимо:
а) наличие в нем электрических зарядов
б) иметь потребителя электрической энергии
в) создать в нем электрическое поле

4. При прохождении тока через электролит положительно заряженные ионы перемещаются к:
а) катоду
б) аноду
в) протону

5. Какое действие тока используется в электрических лампах:
а) магнитное
б) химическое
в) тепловое

6. За направление электрического тока условно принимают то направление, по которому движутся в проводнике:
а) электроны
б) положительные заряды
в) положительные и отрицательные ионы

7. В каком году были обнаружены материалы, обладающие сверхпроводимостью при температурах около -100 градусов С:
а) 1980
б) 1987
в) 1986

8. Какими носителями электрического заряда создается ток в металлах:
а) только электронами
б) ионами
в) электронами и ионами

9. Какое действие электрического тока сопровождает прохождение тока через металлы:
а) химическое
б) только магнитное
в) тепловое +

10. Какие еще (кроме свободных электронов) заряженные частицы имеются в металлах:
а) атомы
б) положительные ионы
в) отрицательные ионы

11. Где они находятся в металлах:
а) в узлах кристаллической решетки
б) каждый на определенном месте
в) на постоянном для каждого месте

12. Кристаллическая решетка металла, образуемая ионами, имеет положительный заряд. Почему же металлы электрически нейтральны:
а) потому что общий отрицательный заряд всех свободных электронов равен всему положительному заряду ионов
б) потому что свободные электроны в металле, двигаясь хаотично, попадают на поверхность и экранируют положительный заряд решетки
в) потому что ионы сохраняют свое местоположение в твер­дом теле

13. При каком условии в металлическом проводнике возникает электрический ток:
а) при появлении в нем свободных электронов
б) при создании в нем электрического поля
в) в случае перехода хаотического движения свободных электронов в упорядоченное движение

14. Движение каких заряженных частиц в электрическом поле принято за направление тока:
а) электронов
б) частиц с положительным зарядом +
в) частиц с отрицательным зарядом

15. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику перенос вещества:
а) происходит редко
б) происходит
в) не происходит

16. Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с:
а) инерцией электронов
б) инерцией ионов
в) инерцией протонов

17. Идея таких опытов и первые качественные результаты (1913 г.) принадлежит русскому физику:
а) Попову
б) Папалекси
в) Ватутину

18. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг:
а) стержня
б) другой катушки
в) своей оси

19. Высокочувствительный прибор для измерения силы малых постоянных электрических токов:
а) амперметр
б) гальванометр
в) вольтметр

20. Еще в этом году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов:
а) 1900
б) 1910
в) 1890

21. Из-за взаимодействия с ионами электроны могут:
а) оставаться в металле надолго
б) притянуть другой металл
в) покинуть металл

22. Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в:
а) тепловом движении +
б) электрическом движении
в) постоянном движении

23. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального(ой):
а) жидкости
б) газа
в) вещества