Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Електричний струм у металах є упорядкованим рухом вільних електронів. Докладніше про це читайте далі в нашій статті.
Важливо знати
Як відомо, електричний струм - це впорядкований потік носіїв електричного заряду. Носії - це заряджені частинки, здатні вільно переміщатися у всьому обсязі тіла.У разі металів цими частинками є електрони, які вивільняються при утворенні зв'язку між атомами металу.
Відомо, що метали у твердому стані мають кристалічну структуру. Частинки в кристалах розташовані в певному порядку, утворюючи просторові ґрати (кристал).
Нарешті, кристалічна решітка металу утворена позитивними іонами, зануреними в «хмару» вільних електронів, що хаотично рухаються, так званих електронами провідності. Залежно від валентності атомів металу один атом може звільнити від одного до трьох електронів при утворенні металевих зв'язків. Число таких вивільнених електронів безпосередньо переводиться до носіїв заряду. Це є одним із факторів, що впливають на здатність металу проводити електричний струм.
Доказом того, що струм у металах викликається електронами, послужили експерименти наших вітчизняних фізиків Леоніда Ісааковича Мандельштама та Миколи Дмитровича Папалексі, а також американських фізиків Бальфура Стюарта та Роберта Толмана.
Здатність металу проводити електричний струм може бути описана фізичною величиною, яка називається питомим електричним опором. Ця фізична величина позначається грецькою буквою (читається як «ро»).Одиницею виміру питомого опору є Ом · м, тобто. твір Ом на метр. Питомий опір – це константа, яка характеризує матеріал і має різні значення для різних матеріалів. Наприклад, питомий опір міді становить 1.7210-8Ом · м. Це означає, що електричний опір мідного провідника довжиною 1 метр і площею поперечного перерізу 1 м дорівнює 1.7210-8 Ом. В цілому, чим нижчий питомий опір матеріалу, тим краще він проводить електричний струм.
У таблиці нижче наведено деякі приклади питомого опору металів, що часто використовуються.
| Метал | Удільний опір (Ом · м) |
| Срібло | 1.5910-8 |
| Медь | 1.7210-8 |
| Алюміній | 2.8210-8 |
| Вольфрам | 5.610-8 |
| Залізо | 1010-8 |
Питомий електричний опір може бути пов'язаний з мікроскопічними властивостями матеріалу. Зокрема, він залежить від концентрації носіїв заряду та їхньої рухливості.
Рух вільних електронів у металах не є повністю «вільним», оскільки під час їхнього руху вони взаємодіють з іншими електронами, і перш за все з іонами кристалічних ґрат. Специфіка цього руху описується так званою класичною моделлю провідності.
Основні припущення та висновки цієї моделі представлені у великому спрощенні нижче.
Класична модель провідності
Без зовнішнього електричного поля електрони здійснюють теплові хаотичні рухи, зіштовхуючись один з одним, а також зіштовхуючись з іонами кристалічних ґрат. В результаті такого руху середнє положення електронів практично не змінюється (див. рис. 1.).
Мал. 1. Приклад траєкторії електрона під час його хаотичного теплового руху на металі
Через квантові ефекти, і зокрема через принцип заборони Паулі, який не дозволяє всім електронам займати найнижчий енергетичний стан, середня швидкість електронів у металах, пов'язана з їх хаотичним тепловим рухом, більша, ніж швидкість частинок у класичному ідеальному газі тієї ж температури. Вона складає близько 10 м/с.
Якщо електрична напруга U прикладена до кінців провідника довжиною L у ньому з'явиться електричне поле з напруженістю E=U / L
Під дією цього зовнішнього поля, згідно з другим законом динаміки, електрони прискорюються: a=F / m,
де F=eE - сила, з якою електричне поле діє на електрон із зарядом e. Отже, прискорення електрона становить: a=eE / m .
Прискорений рух електрона триває лише досить короткий час, доки він не зіткнеться з іономкристалічних ґрат.Внаслідок такого зіткнення електрон втрачає практично всю свою кінетичну енергію. Однак уповільнений електрон не залишається у стані спокою - він знову прискорюється під дією електричного поля, знову стикається з одним з іонів з іони кристалічних ґрат і т.д. Цей ефект додає до швидкості теплових рухів додаткову середню спрямовану швидкість u, яка через негативного заряду електрона має напрямок, протилежний напруженості зовнішнього електричного поля. Ця швидкість називається середньою швидкістю дрейфу (рис. 2).
Мал. 2. Дрейф електрона під дією зовнішнього електричного поля
У провіднику починає текти електричний струм із силою струму I (див. рисунок 3).
Мал. 3. Дрейфуючі електрони стикаються з іонами кристалічних ґрат
Припускаючи, що рух електрона рівномірно прискорюється між зіткненнями з іонами решітки, з прискоренням a=eE / m і припускаючи, що в результаті зіткнення електрон передає всю свою кінетичну енергію кристалічній решітці, ми можемо обчислити швидкість, яку розвиває електрон у своєму вільному русі: v=a ?У цій формулі τ - середній інтервал часу між наступними зіткненнями дрейфуючого електрона з іонами кристалічних ґрат.
Оскільки при рівномірно прискореному русі без початкової швидкості середня швидкість є середнім арифметичним початковою (рівною нулю) і кінцевою швидкістю, то отримуємо: u=v / 2=eEτ / 2m .
З отриманої формули випливає, що швидкість дрейфу, крім зовнішнього електричного поля, визначається середнім інтервалом між зіткненнями електронів з іонами решітки. Цей параметр залежить від багатьох факторів (включаючи температуру, кристалічну структуру металу, дефекти кристалічної структури, домішки) і, як з'ясовується, істотно впливає на електричний опір матеріалу.
Середня дрейфова швидкість електронів становить близько 10-4м/с. Вона дуже мала порівняно зі швидкістю теплового руху, яка становить близько 106 м/с.
Класична теорія провідності досить добре описує явище електропровідності в металах. Однак ця теорія не може пояснити залежність електричного опору від температури, що експериментально спостерігається.
Причина згаданої невдачі класичної теорії провідності полягає в тому, що вона не враховує впливу іонів решітки на рух електронів між зіткненнями. Ближчі до реальності результати дає квантова теорія провідності, яка описує електрони як частинки, схильні до квантової статистики, що рухаються в періодичному електричному полі, що створюється позитивними іонами решітки.
Висновки простою мовою
Негативний заряд усіх вільних електронів за абсолютним значенням дорівнює позитивному заряду всіх іонів решітки. Тому в звичайних умовах метал електрично нейтральний. Вільні електрони у ньому рухаються безладно. Але якщо у металі створити електричне поле, то вільні електрони почнуть рухатися спрямовано під дією електричних сил. Виникне електричний струм. Безладний рух електронів при цьому зберігається, подібно до того, як зберігається безладний рух у зграйці мошкари, коли під дією вітру вона переміщається в одному напрямку.
« Швидкість руху самих електронів у провіднику під впливом електричного поля невелика - кілька міліметрів на секунду, котрий іноді ще менше. Але як тільки у провіднику виникає електричне поле, воно з величезною швидкістю, близькою до швидкості світла у вакуумі (300 000 км/c), поширюється по всій довжині провідника. »
Перишкін А. В. Фізика 8. - М.: Дрофа, 2010
Як приклад, електричний сигнал, посланий, наприклад, проводами з Москви до Владивостока (s=8000 км), приходить туди приблизно через 0,03 с.
Одночасно з поширенням електричного поля всі електрони починають рухатися в одному напрямку по всій довжині провідника. Так, наприклад, коли ланцюг електричної лампи замкнутий, електрони в спіралі лампи також рухаються впорядковано.
Порівняння електричного струму з потоком води у водопровідній системі та розповсюдження електричного поля з поширенням тиску води допоможе нам зрозуміти це.Коли вода піднімається до резервуару для води, тиск (напір) води дуже швидко поширюється по всій системі водопостачання. Коли ми вмикаємо кран, вода вже знаходиться під тиском і відразу починає текти. Але вода, яка була в крані, тече, а вода з вежі досягає крана набагато пізніше, тому що вода рухається з меншою швидкістю, ніж поширюється тиск.
Коли говорять про швидкість розповсюдження електричного струму у провіднику, то мають на увазі швидкість розповсюдження по провіднику електричного поля.