Какво е на електрическия ток в метали

Основи на електронната теория на проводимостта

В началото на XX век е създаден класически електрон теория на метален проводимост (P. Drude, 1900 H.Lorents, 1904), който се получава лесно и ясно обяснение на повечето електрически и термични свойства на метали.

Помислете за някои от разпоредбите на тази теория.

свободни електрони

Металният проводник се състои от:

1) положително заредени йони. осцилиращ около позицията на равновесие, и

2) свободни електрони. са в състояние да се движи по целия обем на проводника.

Така електрическите свойства на метали, дължащи се на присъствието на свободни електрони тях в концентрация от около 10 28 m -3. че приблизително съответства на концентрацията на атомите. Тези електрони се наричат ​​проводни електрони. Те се формират чрез разкъсване на металните атоми на валентните електрони. Тези електрони не принадлежат към всеки отделен атом и могат да се движат на обема на тялото.

Металът в отсъствието на електрическо поле на електрони проводникова движат произволно и лицето, често с решетъчни йони (Фиг. 1). Съвкупността от тези електрони могат да бъдат приблизително разглежда като електрон газ се подчинява на законите за идеалните газове. Средната скорост електрон топлинна движение при стайна температура е около 10 5 м / сек.

Електрически ток в метали

кристалната решетка на металните йони не участват в създаването на ток. Тяхното движение когато токът ще означава прехвърлянето на веществото по проводник, който не се наблюдава. Така например, в експерименти Д. Riecke (1901), на маса и химичния състав на диригента не е променено по време на преминаването на тока през годината.

• електрически ток в метали - е насочено движение на свободни електрони.

Тъй като електрически ток с метали образуват свободни електрони, проводимостта на метални проводници наречен електрон проводимост.

Електрически ток в метали възниква под действието на външно електрическо поле. На електрони проводникова в тази област, електрическа сила актове, придава ускорение насочени в посока, обратна на полето на вектора. В резултат на това електроните придобиват допълнителна скорост (наречен дрифт). Този процент се увеличава, докато електрона не се сблъскат с кристалната решетка на металния атом. Когато такива сблъсъци свободни електрони губят своята кинетична енергия, йоните го минават. След това отново, електроните се ускоряват от електрическо поле, йони спирачки отново т.н. Средна скорост електрон отклонение е много ниска, около 10 -4 м / сек.

• Скоростта на разпространение и дрейф текущата скорост не е същото. Скоростта на ток размножаване е скоростта размножаване на електрическото поле в пространството, т.е. 3⋅10 8 m / сек.

• В сблъсък с йони на електрони проводникова предават част от кинетичната енергия на йоните, което води до увеличаване на кристална решетка енергия на движение на йони и следователно проводник на топлина.

Устойчивостта на метали

Устойчивостта на метали се обяснява с проводникова електрон сблъсъци с решетъчни йони. В този случай, очевидно се случват по-често такива сблъсъци, т.е.. Е. По-малко от средната свободното време между електрони сблъсъци τ, толкова по-голямо съпротивление на метала.

От друга страна, т време зависи от разстоянието между йони решетка, амплитудата на техните вибрации, естеството на взаимодействието на електрони с йони, електрони и скоростта на термична движение. С повишаване на температурата на амплитудата на метал вибрации и скорост на движение йон увеличава термични електрони. Това увеличава броя на решетъчни дефекти. Всичко това води до факта, че повишаването на температурата на метала електрон-йонни сблъсъци са по-вероятно да се случи, т.е. време τ намалява и съпротивление на металните увеличава.

Вижте. В същото

Устойчивост спрямо температурата

Опитът показва, че в не твърде висок и не е твърде ниска температура зависимост на съпротивлението от температурата се изразява чрез линейна функция:

\ Rho = \ rho_0 \ cdot (1 + \ а \ cdot \ Delta т), \)

където АТ = т - t0. t0 = 0 ° С, ρ0. ρ - съпротивление вещества проводник съответно при 0 ° С и т ° С, α - температурен коефициент на съпротивление, измерен в SI в градуси по Келвин минус първата (К-1) (или ° С -1).

• Коефициентът на температура на резистентност материал - стойност, която е числено равно на относителна промяна на съпротивлението на проводника, когато се нагрява при 1 К:

\ (

За всички метални проводници а> 0 и варира само леко с температура. За повечето метали в температурен диапазон от 0 ° до 100 ° С коефициента α промени от 3,3⋅10 -3 до 6,2⋅10 -3 K -1 (Таблица 1). В химически чисти метали, α = 1/273 К -1.

• Има специални сплави, чиято устойчивост не се променя съществено, когато се нагрява, например, константан и Манганови. Техните температурни коефициенти на съпротивление са много малки и са съответно 1⋅10 -5 K -1 и 5⋅10 -5 K -1.

Температурен коефициент на съпротивление (за тон от 0 ° С до 100 ° С)

Ако пренебрегнем металните проводници размери се променят при нагряване, същата линейна зависимост от температурата и ще имат своята устойчивост

R_t = R_0 \ cdot (1 + \ а \ cdot \ Delta т), \)

Зависимостта на съпротивление р на метални проводници температура Т е показано на фигура 2.

метали на температурната зависимост на съпротивлението използва в съпротивителни термометри. Обикновено, тялото на термометъра термометричен вземат платина тел, чиято зависимост от температурна устойчивост достатъчно проучени. На промени в температурата се съди по промяната в резистентност тел, която може да бъде измерена. Такива термометри позволяват да се измери много ниски и много високи температури, където конвенционалните течни термометри не са подходящи.

свръхпроводимост

През 1911, холандски физик Н. Камерлинг Онес изучаването промяна в електрическото съпротивление на живак при ниски температури и е установено, че при температура от около 4 ° К (т.е., при -269 ° С) на съпротивление намалява рязко (фиг. 3) нула. Това явление Х. Камерлинг Онес нарича свръхпроводимост.

Х. Камерлинг Онес е удостоен с Нобелова награда за физика през 1913 г. "за изучаване на свойствата на материята при ниски температури."

По-късно бе установено, че повече от 25 химични елемента - метал при много ниски температури стават свръхпроводници. Всеки от тях има своя собствена критична температура на преход към състояние с нулево съпротивление. Най-ниската стойност в своята волфрам - 0012 К, най-високите в ниобий - 9 К.

Свръхпроводимост се наблюдава не само чисти метали, но също и много химични съединения и сплави. Освен това, тези елементи са част от свръхпроводящи съединение не може да бъде свръхпроводници. Например, NiBi, Au2 Bi, PdTe, PtSb и др.

До 1986 те са известни свръхпроводници притежаващи тези свойства при много ниски температури - под -259 ° С В годините 1986-1987 материали с температура на преход бяха открити в състояние на свръхпроводящ около -173 ° С Това явление се нарича високо свръхпроводимост. и наблюдаване е възможно да се използва течен азот вместо течен хелий.

Широките приложения на свръхпроводимост доскоро са възпрепятствани от трудности, свързани с необходимостта от охлаждане до криогенни температури, които се използват за течен хелий. Независимо от това, въпреки сложността на оборудването, недостига и високите разходи за хелий, с 60-те години на ХХ век са свръхпроводящи магнити, без загуби на топлина в техните намотки, което го прави практически възможно да се получи силни магнитни полета в относително големи количества. Това са магнитите са необходими за създаване на инсталации на контролирания термоядрен синтез с магнитна изолация, за мощни ускорители на частици. Свръхпроводници се използват в различни измервателни уреди, предимно в инструменти за измерване на много слаби магнитни полета с висока точност.

Въз основа на свръхпроводими филми, редица високоскоростни логически и памет елементи на изчислително устройство. Ако изследването на космоса обещава да използва свръхпроводящи соленоиди за радиационна защита на астронавтите скачване на кораби, тяхното спиране и ориентация за плазмено ракетни двигатели.

В момента създадени керамични материали, имащи свръхпроводимост при високи температури - над 100 К, т.е. при температура над температурата на кипене азот. За да се охлади свръхпроводници с течен азот, който е с един порядък по-висока топлина на изпарение, което значително опростява и намалява стойността на всички криогенно оборудване, обещава огромен икономически ефект.

Вижте. В същото

Недостатъци на електронна теория на проводимостта

Въпреки факта, че електронната проводимост на теория метали обяснява редица явления, тя също има своите недостатъци.

1. От теорията това показва, че съпротивление трябва да бъде пропорционална на квадратния корен на температурата (\ (

\ Rho \ СИМ \ SQRT T \)), междувременно, според опита, стр

Т.

За да се получат стойностите на специфичната електрическа проводимост на метала, получен от опита, то е необходимо да се вземат средната свободен пробег на електроните в стотици пъти по-големи от периода на металната решетка. С други думи, на електрона трябва да мине без сблъсъци с решетъчни йони стотици атоми на.

Тази теория не може да обясни причината за свръхпроводимост.

недостатъците, споменати по-горе показват, че класическата електронна теория, представляващи електрона като материална точка, подчинявайки се на законите на класическата механика, не се вземат предвид някои специфични свойства на електрона, които все още не са били известни в началото на ХХ век. Тези свойства са били установени по-късно в изследването на атомната структура, а през 1924 г. бе създадена нова, така наречените квантови или вълновата механика на електрон движение.

литература