Paano gumagalaw ang mga electron sa isang metal? Agos ng kuryente sa mga metal. Ang electric current sa mga metal ay ang nakaayos na paggalaw ng mga electron sa ilalim ng impluwensya ng isang electric field. Pagpapakita ng mga eksperimento - pagtatanghal

Lahat ng mga metal sa solid at estado ng likido ay mga conductor ng electric current. Ang mga espesyal na eksperimento na isinagawa ay nagpakita na kapag ang isang electric current ay pumasa, ang masa ng mga metal conductor ay nananatiling pare-pareho, at ang kanilang komposisyong kemikal. Sa batayan na ito, maaaring ipagpalagay na ang mga electron lamang ang lumahok sa paglikha ng electric current sa mga metal. Ang palagay tungkol sa elektronikong katangian ng electric current sa mga metal ay nakumpirma ng mga eksperimento ng mga physicist ng Sobyet na sina L. I. Mandelstam at N. D. Papaleksi at American physicist na sina T. Stewart at R. Tolman. Sa mga eksperimentong ito ay natuklasan na kapag ang isang mabilis na umiikot na likid ay biglang huminto, a kuryente, na nilikha ng mga negatibong sisingilin na mga particle - mga electron.

Sa kawalan electric field Ang mga libreng electron ay gumagalaw nang magulo sa isang metal na kristal. Sa ilalim ng impluwensya ng isang electric field, ang mga libreng electron, bilang karagdagan sa magulong paggalaw, ay nakakakuha ng iniutos na paggalaw sa isang direksyon, at ang isang electric current ay lumitaw sa konduktor. Ang mga libreng electron ay bumabangga sa mga ion ng kristal na sala-sala, na nagbibigay sa kanila sa bawat banggaan ng kinetic energy na nakukuha sa libreng paglalakbay sa ilalim ng impluwensya ng isang electric field. Bilang isang resulta, ang iniutos na paggalaw ng mga electron sa isang metal ay maaaring ituring bilang pare-parehong paggalaw na may isang tiyak na pare-pareho ang bilis V.

Dahil ang kinetic energy ng mga electron, na nakuha sa ilalim ng impluwensya ng isang electric field, ay inililipat sa pagbangga ng mga ion ng kristal na sala-sala, at kapag pumasa. direktang kasalukuyang uminit ang konduktor.

Pag-asa ng electrical resistivity ng mga metal sa temperatura.

Ang resistivity ng mga metal kapag pinainit ay tumataas nang humigit-kumulang linearly (Fig. 152):

kung saan ang p ay ang electrical resistivity ng metal sa temperatura t, ang po ay ang resistivity nito sa O ​​°C, at ang temperature coefficient ng resistance, partikular para sa bawat metal,

Habang ang temperatura ay lumalapit sa ganap na zero, ang resistivity ng mga solong kristal ay nagiging napakaliit. Ang katotohanang ito ay nagpapahiwatig na sa isang perpektong kristal na sala-sala ng isang metal, ang mga electron ay gumagalaw sa ilalim ng impluwensya ng isang electric field nang hindi nakikipag-ugnayan sa mga lattice ions. Ang haba ng kanilang libreng landas ay maaaring umabot sa mga halaga ng pagkakasunud-sunod ng 1 cm, ibig sabihin, 107-108 beses na mas malaki kaysa sa mga interatomic na distansya sa kristal. Ang mga electron ay nakikipag-ugnayan lamang sa mga ion na hindi matatagpuan sa mga site ng kristal na sala-sala.

Habang tumataas ang temperatura, tumataas ang bilang ng mga depekto sa crystal lattice dahil sa thermal vibrations ng mga ions, na humahantong sa pagtaas ng resistivity ng kristal.

Ang katotohanan na ang mga de-koryenteng paglaban ng mga metal ay tinutukoy ng mga pakikipag-ugnayan ng mga electron ng pagpapadaloy na may iba't ibang mga depekto sa sala-sala ay nakumpirma din ng katotohanan na ang resistivity ng mga metal na kristal ay malakas na nakasalalay sa pagkakaroon ng mga impurities sa kanila. Halimbawa, ang pagpapakilala ng 1% manganese impurity ay nagpapataas ng resistivity ng tanso ng tatlong beses.

Superconductivity.

Noong 1911, natuklasan ng Dutch scientist na si Geike Kamerlingh-Onies (1853-1926) na kapag bumaba ang temperatura ng mercury sa 4.1 K, ang resistivity nito ay biglang bumaba sa zero (Fig. 153). Ang phenomenon ng resistivity na bumababa sa zero sa temperatura maliban sa absolute zero ay tinatawag na superconductivity. Ang mga materyales na nagpapakita ng kakayahang lumipat sa isang superconducting state sa ilang partikular na temperatura maliban sa absolute zero ay tinatawag na superconductor.

Ang pagpasa ng kasalukuyang sa isang superconductor ay nangyayari nang walang pagkawala ng enerhiya, samakatuwid, kapag nasasabik sa isang superconducting ring, ang electric current ay maaaring umiral nang walang katiyakan nang walang pagbabago.

Ang mga superconducting na materyales ay ginagamit na sa mga electromagnet. Ang pananaliksik ay isinasagawa na naglalayong lumikha ng mga superconducting na linya ng kuryente.

Application ng phenomenon ng superconductivity sa isang malawak na hanay

Ang pagsasanay ay maaaring maging isang katotohanan sa mga darating na taon salamat sa pagtuklas noong 1986 ng superconductivity ng mga keramika - mga compound ng lanthanum, barium, tanso at oxygen. Ang superconductivity ng naturang mga keramika ay nagpapatuloy hanggang sa mga temperatura na humigit-kumulang 100 K.

Ang bilis ng iniutos na paggalaw ng mga electron sa isang konduktor.

Upang matukoy ang bilis ng iniutos na paggalaw ng mga libreng singil sa kuryente sa isang konduktor, kailangan mong malaman ang konsentrasyon ng mga carrier ng libreng singil at ang kasalukuyang lakas. Kung ang konsentrasyon ng mga libreng singil sa kuryente sa isang konduktor, pagkatapos ay sa isang tagal ng panahon sa pamamagitan ng cross section ng konduktor sa bilis ng kanilang iniutos na paggalaw ay pumasa. singil ng kuryente pantay

Sa seksyong ito, sinisimulan namin ang isang detalyadong pag-aaral kung paano dumadaloy ang electric current sa iba't ibang conducting media - mga solid, likido at gas.

Alalahanin natin iyon isang kinakailangang kondisyon ang paglitaw ng kasalukuyang ay ang presensya sa daluyan ng sapat malaking dami mga libreng singil na maaaring magsimulang mag-order ng paggalaw sa ilalim ng impluwensya ng isang electric field. Ang nasabing media ay tiyak na tinatawag na mga conductor ng electric current.

Ang mga metal conductor ay ang pinaka-malawak na ginagamit. Samakatuwid, nagsisimula kami sa mga tanong ng pagpapalaganap ng electric current sa mga metal.

Napag-usapan namin nang maraming beses ang tungkol sa mga libreng electron, na mga carrier ng libreng singil sa mga metal. Alam mo na ang electric current sa isang metal conductor ay nabuo bilang isang resulta ng direktang paggalaw ng mga libreng electron.

3.13.1 Libreng mga electron

Ang mga metal sa solid state ay may mala-kristal na istraktura: ang pag-aayos ng mga atomo sa espasyo ay nailalarawan sa pamamagitan ng panaka-nakang pag-uulit at bumubuo ng geometrically regular na pattern, na tinatawag na crystal lattice.

Ang mga metal na atom ay may maliit na bilang ng mga valence electron na matatagpuan sa panlabas shell ng elektron. Ang mga valence electron na ito ay mahinang nakagapos sa nucleus at ang atom ay madaling mawala ang mga ito.

Kapag ang mga metal na atom ay sumasakop sa mga lugar sa kristal na sala-sala, ang mga electron ng valence ay umalis sa kanilang mga shell at sila ay "maglalakad" sa buong kristal18. Ang mga positibong ion ay nananatili sa mga node ng metal crystal lattice, ang espasyo sa pagitan ng kung saan ay puno ng isang "gas" ng mga libreng electron (Larawan 3.47).

+ + + ++

kanin. 3.47. Libreng mga electron

Ang mga libreng electron ay talagang kumikilos tulad ng mga particle ng gas19, na gumaganap ng thermal motion, sila ay random na nagpapalipat-lipat sa pagitan ng mga ion ng kristal na sala-sala. Ang kabuuang singil ng mga libreng electron ay katumbas ng magnitude at kabaligtaran ng sign sa kabuuang singil ng mga positibong ion, samakatuwid ang metal na konduktor sa kabuuan ay lumalabas na neutral sa kuryente.

Ang gas ng mga libreng electron ay ang "glue" na humahawak sa buong mala-kristal na istraktura ng konduktor. Pagkatapos ng lahat, ang mga positibong ion ay nagtataboy sa isa't isa, upang ang kristal na sala-sala, na sumasabog mula sa loob na may malalakas na puwersa ng Coulomb, ay maaaring lumipad nang hiwalay sa iba't ibang direksyon. Gayunpaman, sa parehong oras, ang mga metal ions ay naaakit sa shell

18 Ibig sabihin, ang mga libreng electron ay gumagalaw sa paligid ng mga panlabas na orbital ng mga kalapit na atomo. Ang mga orbital na ito ay nagsasapawan sa isa't isa dahil sa malapit na pagkakaayos ng mga atomo sa kristal na sala-sala, kaya ang mga libreng electron ay ang "karaniwang pag-aari" ng buong kristal.

19 Ang isa pang sapat na larawan ay ang electron sea, na “naghuhugas” ng kristal na sala-sala.

sa electron gas at, na parang walang nangyari, nananatili sa kanilang mga lugar, na gumaganap lamang ng mga thermal vibrations sa mga node ng kristal na sala-sala malapit sa mga posisyon ng ekwilibriyo.

Ano ang mangyayari kung ang isang metal na konduktor ay konektado sa isang closed circuit na naglalaman ng kasalukuyang pinagmumulan? Ang mga libreng electron ay patuloy na nagsasagawa ng magulong thermal motion, ngunit ngayon, sa ilalim ng impluwensya ng umuusbong na panlabas na electric field, magsisimula na rin silang gumalaw sa maayos na paraan. Ang nakadirekta na daloy ng electron gas, na nakapatong sa thermal movement ng mga electron, ay ang electric current sa metal20. Ang bilis ng iniutos na paggalaw ng mga electron sa isang metal conductor, tulad ng alam na natin, ay tungkol sa 0.1 mm/s.

3.13.2 Eksperimento ni Rikke

Bakit namin napagpasyahan na ang kasalukuyang sa mga metal ay nilikha sa pamamagitan ng paggalaw ng mga libreng electron? Ang mga positibong ion ng kristal na sala-sala ay nakakaranas din ng pagkilos ng isang panlabas na electric field. Siguro lumipat din sila sa loob ng isang metal na konduktor at nakikilahok sa paglikha ng kasalukuyang?

Ang iniutos na paggalaw ng mga ion ay mangangahulugan ng unti-unting paglipat ng bagay sa direksyon ng electric current. Samakatuwid, kailangan mo lamang na ipasa ang kasalukuyang sa pamamagitan ng konduktor sa napakatagal na panahon at makita kung ano ang mangyayari sa huli. Ang ganitong uri ng eksperimento ay isinagawa ni E. Riecke noong 1901.

SA de-koryenteng circuit tatlong cylinders na pinindot laban sa isa't isa ay kasama: dalawang tanso sa mga gilid at isang aluminyo sa pagitan ng mga ito (Larawan 3.48). Ang electric current ay dumaan sa circuit na ito sa loob ng isang taon.

kanin. 3.48. Karanasan ni Rikke

Sa paglipas ng isang taon, isang singil na higit sa tatlong milyong coulomb ang dumaan sa mga cylinder. Ipagpalagay natin na ang bawat metal na atom ay nawawalan ng isang valence electron, upang ang singil ng ion ay katumbas ng elementarya na singil e = 1;6 10 19 C. Kung ang kasalukuyang ay nilikha sa pamamagitan ng paggalaw ng mga positibong ion, kung gayon madaling kalkulahin (gawin mo ito sa iyong sarili!) Na ang halaga ng singil na ito na dumaan sa circuit ay tumutugma sa paglipat ng halos 2 kg ng tanso kasama ang kadena.

Gayunpaman, pagkatapos na paghiwalayin ang mga cylinder, natuklasan lamang ang isang bahagyang pagtagos ng mga metal sa isa't isa, dahil sa natural na pagsasabog ng kanilang mga atomo (at wala nang iba pa). Ang electric current sa mga metal ay hindi sinamahan ng paglipat ng bagay, kaya ang mga positibong ion ng metal ay hindi nakikibahagi sa paglikha ng kasalukuyang.

3.13.3 Eksperimento ng Stewart–Tolman

Direktang pang-eksperimentong patunay na ang electric current sa mga metal ay nilikha sa pamamagitan ng paggalaw ng mga libreng electron ay ibinigay sa eksperimento ni T. Stewart at R. Tolman (1916).

20 Samakatuwid, ang mga libreng electron ay tinatawag ding conduction electron.

kanin. 3.49. karanasan Stewart–Tolman

Ang eksperimentong Stewart–Tolman ay naunahan ng mga qualitative observation na ginawa apat na taon na ang nakalipas ng mga Russian physicist na sina L. I. Mandelstam at N. D. Papaleksi. Iginuhit nila ang pansin sa tinatawag na electroinertial effect: kung bigla mong pinino ang isang gumagalaw na konduktor, lumilitaw ang isang panandaliang kasalukuyang pulso dito. Ang epekto ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng ang katunayan na para sa isang maikling panahon pagkatapos ng konduktor ay decelerated, ang mga libreng singil nito ay patuloy na gumagalaw sa pamamagitan ng inertia.

Gayunpaman, ang Mandelstam at Papaleksi ay hindi nakakuha ng anumang dami ng mga resulta, at ang kanilang mga obserbasyon ay hindi nai-publish. Ang karangalan ng pagtawag sa eksperimento sa pamamagitan ng pangalan nito ay pag-aari ni Stewart at Tolman, na hindi lamang naobserbahan ang ipinahiwatig na electroinertial effect, ngunit ginawa rin ang mga kinakailangang sukat at kalkulasyon.

Ang Stewart at Tolman setup ay ipinapakita sa Fig. 3.49. Ang coil ay hinihimok sa mabilis na pag-ikot sa paligid ng axis nito sa pamamagitan ng isang malaking bilang ng mga pagliko ng metal wire. Ang mga dulo ng paikot-ikot ay konektado sa espesyal na aparato ballistic galvanometer, na nagpapahintulot sa iyo na sukatin ang singil na dumadaan dito.

Matapos ang isang matalim na pagpepreno ng coil, isang kasalukuyang pulso ang lumitaw sa circuit. Ang direksyon ng agos ay nagpapahiwatig na ito ay sanhi ng paggalaw ng mga negatibong singil. Sa pamamagitan ng pagsukat ng kabuuang singil na dumadaan sa circuit gamit ang ballistic galvanometer, kinakalkula nina Stewart at Tolman ang ratio q=m ng singil ng isang particle sa masa nito. Ito ay naging katumbas ng ratio e=m para sa elektron, na kilala na noong panahong iyon.

Kaya, sa wakas ay nalaman na ang mga carrier ng libreng singil sa mga metal ay mga libreng electron. Tulad ng makikita mo, ang isang ito ay kilala sa mahabang panahon

Ang katotohanan ay naitatag na medyo huli na para sa iyo, dahil ang mga metal na konduktor sa panahong iyon ay aktibong ginagamit nang higit sa isang siglo sa iba't ibang uri ng mga eksperimento sa electromagnetism21.

3.13.4 Pag-asa ng paglaban sa temperatura

Ipinapakita ng karanasan na kapag pinainit ang isang metal na konduktor, tumataas ang resistensya nito. Paano ito ipaliwanag?

Ang dahilan ay simple: sa pagtaas ng temperatura, ang mga thermal vibrations ng mga ions ng kristal na sala-sala ay nagiging mas matindi, upang ang bilang ng mga banggaan ng mga libreng electron na may mga ions ay tumataas. Kung mas aktibo ang thermal motion ng sala-sala, mas mahirap para sa mga electron na makalusot sa mga puwang sa pagitan ng mga ion22. Ang bilis ng iniutos na paggalaw ng mga electron ay bumababa, samakatuwid ang kasalukuyang lakas ay bumababa (sa isang pare-pareho ang boltahe). Nangangahulugan ito ng pagtaas ng resistensya.

21 Ihambing, halimbawa, ang petsa ng pagkatuklas ng batas ng Ohm noong 1826. Ang punto, gayunpaman, ay ang mismong elektron ay natuklasan lamang noong 1897.

22 Isipin ang isang umiikot na pinto sa pamamagitan ng pinto. Sa anong kaso mas mahirap tumalon dito: kapag ito ay umiikot nang mabagal o mabilis? :-)

Tulad ng ipinakita muli ng karanasan, ang pag-asa ng paglaban
baguhin ang R ng isang metal na konduktor mula sa temperatura t na may mabuti
ang katumpakan ay linear:
R = R0 (1 + t):
Narito ang R0 ay ang paglaban ng konduktor sa 0 C. Ang graph
dependence (3.68) ay isang tuwid na linya (Larawan 3.50).

Ang multiplier ay tinatawag na temperatura koepisyent ng paglaban. Ang mga halaga nito para sa iba't ibang mga metal at haluang metal ay matatagpuan sa mga talahanayan.

Ang haba ng conductor l at ang cross-sectional area na S nito ay hindi gaanong nagbabago sa mga pagbabago sa temperatura. Ipahayag natin ang R at R0 sa mga tuntunin ng resistivity:

		; R0

at palitan ang mga formula na ito sa (3.68). Nakukuha namin ang isang katulad na pag-asa ng resistivity sa temperatura:

0 (1 + t):

Ang koepisyent ay napakaliit (para sa tanso, halimbawa, = 0.0043), kaya ang pagdepende sa temperatura ng paglaban ng metal ay madalas na napapabayaan. Gayunpaman, sa ilang mga kaso kailangan mong isaalang-alang ito. Halimbawa, ang tungsten filament ng isang electric light bulb ay nagiging sobrang init kaya ito mga katangian ng volt-ampere lumalabas na makabuluhang nonlinear.

kanin. 3.51. Volt-ampere na katangian ng isang bumbilya

Kaya, sa Fig. Ipinapakita ng Figure 3.51 ang kasalukuyang-boltahe na katangian ng isang bombilya ng kotse. Kung ang isang bumbilya ay isang perpektong risistor, ang kasalukuyang boltahe na katangian nito ay magiging isang tuwid na linya alinsunod sa batas ng Ohm. Ang tuwid na linyang ito ay ipinapakita bilang isang asul na tuldok na linya.

Gayunpaman, habang tumataas ang boltahe na inilapat sa bombilya, ang graph ay lumilihis mula sa tuwid na linyang ito at higit pa. Bakit? Ang katotohanan ay na sa pagtaas ng boltahe, ang kasalukuyang sa pamamagitan ng ilaw bombilya ay tumataas at mas pinainit ang likid; Ang paglaban ng spiral samakatuwid ay tumataas din. Dahil dito, kahit na ang kasalukuyang lakas ay patuloy na tataas, ito ay magkakaroon ng mas maliit at mas maliit na halaga kumpara sa inireseta ng may tuldok na linear dependence ng kasalukuyang sa boltahe.

Agos ng kuryente sa mga metal

Ang electric current sa mga metal ay ang nakaayos na paggalaw ng mga electron sa ilalim ng impluwensya ng isang electric field. Ipinakikita ng mga eksperimento na kapag dumadaloy ang kasalukuyang sa pamamagitan ng isang metal na konduktor, walang paglilipat ng sangkap samakatuwid, ang mga ion ng metal ay hindi nakikibahagi sa paglilipat ng singil sa kuryente.

Ang pinaka-nakakumbinsi na katibayan ng elektronikong kalikasan ng kasalukuyang sa mga metal ay nakuha sa mga eksperimento na may pagkawalang-kilos ng mga electron. Ang ideya ng naturang mga eksperimento at ang unang mga resulta ng husay (1913) ay kabilang sa mga pisikong Ruso na sina L. I. Mandelstam at N. D. Papaleksi. Noong 1916, pinahusay ng American physicist na si R. Tolman at ng Scottish physicist na si B. Stewart ang metodolohiya ng mga eksperimentong ito at nagsagawa ng quantitative measurements na hindi maikakaila na pinatunayan na ang kasalukuyang sa mga metal conductor ay sanhi ng paggalaw ng mga electron.

Ang pamamaraan ng eksperimento ni Tolman at Stewart ay ipinapakita sa Fig. 1.12.1. Ang isang coil na may malaking bilang ng mga pagliko ng manipis na kawad ay hinimok sa mabilis na pag-ikot sa paligid ng axis nito. Ang mga dulo ng coil ay konektado sa sensitibong sensor gamit ang nababaluktot na mga wire. ballistic galvanometer G. Ang untwisted coil ay mabilis na pinabagal, at isang panandaliang kasalukuyang lumitaw sa circuit dahil sa pagkawalang-galaw ng mga carrier ng singil. Ang kabuuang singil na dumadaloy sa circuit ay sinusukat sa pamamagitan ng pagpapalihis ng galvanometer needle.

Scheme ng eksperimentong Tolman at Stewart

Kapag nagpepreno ng umiikot na likid para sa bawat carrier ng singil e mayroong isang puwersa ng pagpepreno F = - m d υ d t, na gumaganap ng papel ng isang panlabas na puwersa, iyon ay, isang puwersa ng hindi de-kuryenteng pinagmulan. Ang panlabas na puwersa sa bawat yunit ng singil ay, sa pamamagitan ng kahulugan, pag-igting E st mga larangan ng panlabas na puwersa: E st = - m e d υ d t.

Dahil dito, sa circuit kapag ang likid ay nagpepreno, a puwersa ng electromotiveℰ, katumbas ng ℰ = E st l = - m e d υ d t l, kung saan l– haba ng coil wire. Sa panahon ng pagpepreno ng coil, may singil na dadaloy sa circuit q, katumbas ng q = ∫ I d t = 1 R ∫ ℰ d t = m e l υ 0 R .

Dito ako – agarang halaga kasalukuyang lakas sa likid, R– kabuuang paglaban ng circuit, υ 0 – paunang linear na bilis ng wire.

Kaya ang tiyak na bayad e/m ang mga libreng kasalukuyang carrier sa mga metal ay katumbas ng: em = l υ 0 R q.

Ang lahat ng dami na kasama sa kanang bahagi ng relasyon na ito ay maaaring masukat. Batay sa mga resulta ng mga eksperimento nina Tolman at Stewart, naitatag na ang mga free charge carrier sa mga metal ay may negatibong tanda, at ang ratio ng singil ng carrier sa masa nito ay malapit sa tiyak na singil ng electron na nakuha mula sa iba pang mga eksperimento. Kaya, itinatag na ang mga carrier ng libreng singil sa mga metal ay mga electron.

Ayon sa modernong data, ang electron charge modulus (elementary charge) ay katumbas ng e = 1.60218 ċ 10 - 19 C, at ang tiyak na singil nito ay e m = 1.75882 ċ 10 11 C / kg.

Ang mahusay na electrical conductivity ng mga metal ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng mataas na konsentrasyon ng mga libreng electron, katumbas ng pagkakasunud-sunod ng magnitude sa bilang ng mga atom sa bawat yunit ng dami.

Ang pagpapalagay na ang mga electron ay may pananagutan para sa electric current sa mga metal ay lumitaw nang mas maaga kaysa sa mga eksperimento nina Tolman at Stewart. Bumalik noong 1900, ang Aleman na siyentipiko na si P. Drude, batay sa hypothesis ng pagkakaroon ng mga libreng electron sa mga metal, ay lumikha ng elektronikong teorya ng metal conductivity. Ang teoryang ito ay binuo sa mga gawa ng Dutch physicist na si H. Lorentz at tinawag itong klasikal teorya ng elektron. Ayon sa teoryang ito, ang mga electron sa mga metal ay kumikilos tulad ng isang electron gas, katulad ng isang perpektong gas. Pinupuno ng electron gas ang espasyo sa pagitan ng mga ion na bumubuo sa kristal na sala-sala ng metal (Larawan 1.12.2).

Isang gas ng mga libreng electron sa isang metal na kristal na sala-sala. Ang trajectory ng isa sa mga electron ay ipinapakita

Dahil sa pakikipag-ugnayan sa mga ions, ang mga electron ay maaaring umalis sa metal lamang sa pamamagitan ng pagtagumpayan ang tinatawag na potensyal na hadlang. Ang taas ng hadlang na ito ay tinatawag na work function. Sa ordinaryong (kuwarto) na temperatura, ang mga electron ay walang sapat na enerhiya upang malampasan ang potensyal na hadlang.

Dahil sa pakikipag-ugnayan sa kristal na sala-sala, ang potensyal na enerhiya ng paglabas ng elektron sa loob ng konduktor ay mas mababa kaysa kapag ang elektron ay inalis mula sa konduktor. Ang mga electron sa isang konduktor ay nasa isang uri ng "potensyal na balon," ang lalim nito ay tinatawag na potensyal na hadlang.

Parehong ang mga ion na bumubuo sa sala-sala at ang mga electron ay nakikilahok sa thermal motion. Ang mga ion ay sumasailalim sa mga thermal vibrations malapit sa mga posisyon ng equilibrium—ang mga node ng crystal lattice. Ang mga libreng electron ay gumagalaw nang sapalaran at sa kanilang paggalaw ay bumabangga sa mga ion ng sala-sala. Bilang resulta ng naturang banggaan, ang thermodynamic equilibrium ay naitatag sa pagitan ng electron gas at ng sala-sala. Ayon sa teorya ng Drude-Lorentz, ang mga electron ay may parehong average na enerhiya ng thermal motion bilang mga molekula ng isang monatomic ideal na gas. Ito ay nagpapahintulot sa amin na tantyahin ang average na bilis υ ¯t ng thermal motion ng mga electron gamit ang mga formula ng molecular kinetic theory. Sa temperatura ng silid ito ay lumalabas na humigit-kumulang katumbas ng 10 5 m/s.

Kapag ang isang panlabas na electric field ay inilapat sa isang metal conductor, bilang karagdagan sa thermal movement ng mga electron, ang kanilang ordered movement (drift), iyon ay, isang electric current, ay nangyayari. Ang average na bilis ng drift υ¯d ay maaaring matantya mula sa mga sumusunod na pagsasaalang-alang. Sa paglipas ng agwat ng oras Δ t sa pamamagitan ng cross section S ang konduktor ay dadaan sa lahat ng mga electron na nasa volume S υ ¯ d Δ t .

Ang bilang ng naturang mga electron ay katumbas ng nS υ ¯ d Δ t , kung saan n– ang average na konsentrasyon ng mga libreng electron, humigit-kumulang katumbas ng bilang ng mga atom sa bawat yunit ng dami ng isang metal conductor. Sa pamamagitan ng cross section ng konduktor sa oras Δ t ang singil Δ q = e n S υ ¯ d Δ t ay dadaan. Ito ay sumusunod: I = Δ q Δ t = e n S υ ¯ d o υ ¯ d = I e n S

Konsentrasyon n ang mga atomo sa mga metal ay nasa hanay na 10 28 –10 29 m –3.

Ang pagtatantya gamit ang formula na ito para sa isang metal na konduktor na may cross section na 1 mm 2, kung saan dumadaloy ang isang kasalukuyang 10 A, ay nagbibigay para sa average na bilis υ ¯ d ng nakaayos na paggalaw ng mga electron ng isang halaga sa hanay na 0.6–6 mm/s. kaya, average na bilisυ¯d Ang iniutos na paggalaw ng mga electron sa mga metal conductor ay maraming mga order ng magnitude na mas mababa kaysa sa average na bilisυ¯t kanilang thermal movement(υ¯ d<< υ ¯ т) . Рис. 1.12.3 дает представление о характере движения свободного электрона в кристаллической решетке.

Ang paggalaw ng isang libreng elektron sa isang kristal na sala-sala: a – magulo paggalaw ng isang elektron sa isang metal na kristal na sala-sala; b – magulo paggalaw na may drift na dulot ng isang electric field. Ang sukat ng drift υ ¯ d Δ t ay labis na pinalaki

Ang mababang bilis ng drift ay hindi sumasalungat sa eksperimentong katotohanan na ang kasalukuyang sa buong DC circuit ay naitatag halos agad-agad. Ang pagsasara ng circuit ay nagiging sanhi ng pagpapalaganap ng electric field sa isang bilis c = 3ċ10 8 m/s. Sa pamamagitan ng pagkakasunud-sunod ng oras l/c (l- haba ng kadena) isang nakatigil na pamamahagi ng electric field ay itinatag sa kahabaan ng kadena at ang iniutos na paggalaw ng mga electron ay nagsisimula dito.

Sa klasikal na elektronikong teorya ng mga metal, ipinapalagay na ang paggalaw ng mga electron ay sumusunod sa mga batas ng mekanika ni Newton. Sa teoryang ito, ang pakikipag-ugnayan ng mga electron sa isa't isa ay napapabayaan, at ang kanilang pakikipag-ugnayan sa mga positibong ion ay nababawasan lamang sa mga banggaan. Ipinapalagay din na sa bawat banggaan ay inililipat ng electron sa sala-sala ang lahat ng enerhiya na naipon sa electric field at samakatuwid pagkatapos ng banggaan ay nagsisimula itong gumalaw nang may zero drift velocity.

Sa kabila ng katotohanan na ang lahat ng mga pagpapalagay na ito ay napaka-approximate, ang klasikal na teorya ng elektroniko ay husay na nagpapaliwanag ng mga batas ng electric current sa mga metal conductor.

Batas ni Ohm. Sa agwat sa pagitan ng mga banggaan, ang elektron ay ginagampanan ng puwersa na katumbas ng magnitude eE, bilang resulta kung saan nakakakuha ito ng acceleration e m E . Samakatuwid, sa pagtatapos ng libreng landas, ang bilis ng drift ng electron ay katumbas ng υ d = (υ d) max = e E m τ, kung saan ang τ ay ang libreng oras ng landas, na, upang gawing simple ang mga kalkulasyon, ay ipinapalagay na maging pareho para sa lahat ng mga electron. Ang average na bilis ng drift υ ¯ d ay katumbas ng kalahati ng maximum na halaga: υ ¯ d = 1 2 (υ d) max = 1 2 e E m τ .

Isaalang-alang ang isang konduktor ng haba l at cross section S na may konsentrasyon ng elektron n. Ang kasalukuyang sa isang konduktor ay maaaring isulat bilang: I = e n S υ ¯ d = 1 2 e 2 τ n S m E = e 2 τ n S 2 m l U , kung saan U = El– boltahe sa mga dulo ng konduktor. Ang resultang formula ay nagpapahayag ng batas ng Ohm para sa isang metal na konduktor. Ang electrical resistance ng conductor ay katumbas ng: R = 2 m e 2 n τ l S, at ang resistivity ρ at conductivity ν ay ipinahayag ng mga relasyon: ρ = 2 m e 2 n τ;

ν = 1 ρ = e 2 n τ 2 m.

Kaya, ang klasikal na teoryang elektroniko ay nagpapaliwanag ng pagkakaroon ng electrical resistance ng mga metal, mga batas ni Ohm at Joule-Lenz. Gayunpaman, sa ilang mga isyu, ang klasikal na teoryang elektroniko ay humahantong sa mga konklusyon na sumasalungat sa eksperimento. R Ang teoryang ito ay hindi maaaring, halimbawa, ipaliwanag kung bakit ang molar heat capacity ng mga metal, pati na rin ang molar heat capacity ng dielectric crystals, ay katumbas ng 3 R, Saan

– unibersal na gas constant (Dulong at Petit law, tingnan ang Bahagi I, § 3.10). Ang pagkakaroon ng mga libreng electron ay hindi nakakaapekto sa kapasidad ng init ng mga metal. Hindi rin maipaliwanag ng klasikal na teoryang elektroniko ang pagdepende sa temperatura ng resistivity ng mga metal. Ang teorya ay nagbibigay ng kaugnayan ρ ~ T, habang mula sa eksperimento ang dependence ρ ~. Gayunpaman, ang pinaka-kapansin-pansin na halimbawa ng pagkakaiba sa pagitan ng teorya at eksperimento ay superconductivity.

Ayon sa klasikal na teoryang elektroniko, ang resistivity ng mga metal ay dapat bumaba nang monotonically sa paglamig, nananatiling may hangganan sa lahat ng temperatura. Ang pag-asa na ito ay aktwal na sinusunod sa eksperimento sa medyo mataas na temperatura. Sa mas mababang temperatura ng pagkakasunud-sunod ng ilang mga kelvin, ang resistivity ng maraming mga metal ay huminto sa pagdepende sa temperatura at umabot sa isang tiyak na limitasyon ng halaga. Gayunpaman, ang pinaka-kagiliw-giliw na kababalaghan ay ang kamangha-manghang phenomenon ng superconductivity, na natuklasan ng Danish physicist na si H. Kammerlingh Onnes noong 1911. Sa ilang partikular na temperatura Hindi rin maipaliwanag ng klasikal na teoryang elektroniko ang pagdepende sa temperatura ng resistivity ng mga metal. Ang teorya ay nagbibigay ng kaugnayan ρ ~ T, habang mula sa eksperimento ang dependence ρ ~ kr, naiiba para sa iba't ibang mga sangkap, ang resistivity ay biglang bumababa sa zero (Larawan 1.12.4). Ang kritikal na temperatura para sa mercury ay 4.1 K, para sa aluminyo 1.2 K, para sa lata 3.7 K. Ang superconductivity ay sinusunod hindi lamang sa mga elemento, kundi pati na rin sa maraming mga kemikal na compound at haluang metal. Halimbawa, ang tambalan ng niobium na may lata (Ni 3 Sn) ay may kritikal na temperatura na 18 K. Ang ilang mga sangkap na nagbabago sa isang superconducting na estado sa mababang temperatura ay hindi mga conductor sa ordinaryong temperatura. Kasabay nito, ang mga "magandang" conductor tulad ng tanso at pilak ay hindi nagiging superconductor sa mababang temperatura.

Pag-asa ng resistivity ρ sa ganap na temperatura Hindi rin maipaliwanag ng klasikal na teoryang elektroniko ang pagdepende sa temperatura ng resistivity ng mga metal. Ang teorya ay nagbibigay ng kaugnayan ρ ~ T, habang mula sa eksperimento ang dependence ρ ~ sa mababang temperatura: a - normal metal; b – superconductor

Ang mga sangkap sa isang superconducting state ay may mga natatanging katangian. Sa pagsasagawa, ang pinakamahalaga sa kanila ay ang kakayahang mapanatili ang isang electric current na nasasabik sa isang superconducting circuit sa loob ng mahabang panahon (maraming taon) nang walang pagpapalambing.

Ang klasikal na teoryang elektroniko ay hindi maipaliwanag ang kababalaghan ng superconductivity. Ang isang paliwanag ng mekanismo ng hindi pangkaraniwang bagay na ito ay ibinigay lamang 60 taon pagkatapos ng pagtuklas nito batay sa mga konsepto ng quantum mechanical.

Nadagdagan ang siyentipikong interes sa superconductivity habang natuklasan ang mga bagong materyales na may mas mataas na kritikal na temperatura. Ang isang makabuluhang hakbang sa direksyon na ito ay kinuha noong 1986, nang matuklasan na ang isang kumplikadong ceramic compound Hindi rin maipaliwanag ng klasikal na teoryang elektroniko ang pagdepende sa temperatura ng resistivity ng mga metal. Ang teorya ay nagbibigay ng kaugnayan ρ ~ T, habang mula sa eksperimento ang dependence ρ ~ kr = 35 K. Nasa susunod na 1987, nakagawa ang mga physicist ng mga bagong ceramics na may kritikal na temperatura na 98 K, na lumampas sa temperatura ng liquid nitrogen (77 K). Ang kababalaghan ng paglipat ng mga sangkap sa isang superconducting estado sa mga temperatura na lumampas sa kumukulong punto ng likido nitrogen ay tinatawag na mataas na temperatura superconductivity. Noong 1988, nilikha ang isang ceramic compound batay sa mga elementong Tl–Ca–Ba–Cu–O na may kritikal na temperatura na 125 K.

Sa kasalukuyan, isinasagawa ang masinsinang gawain upang maghanap ng mga bagong sangkap na may mas mataas na halaga. Hindi rin maipaliwanag ng klasikal na teoryang elektroniko ang pagdepende sa temperatura ng resistivity ng mga metal. Ang teorya ay nagbibigay ng kaugnayan ρ ~ T, habang mula sa eksperimento ang dependence ρ ~ cr. Inaasahan ng mga siyentipiko na makuha ang sangkap sa isang superconducting na estado sa temperatura ng silid. Kung mangyayari ito, ito ay magiging isang tunay na rebolusyon sa agham, teknolohiya at sa buhay ng mga tao sa pangkalahatan.

Dapat pansinin na hanggang ngayon ang mekanismo ng mataas na temperatura na superconductivity ng mga ceramic na materyales ay hindi pa ganap na naipaliwanag.




Ang electric current sa mga metal ay ang nakaayos na paggalaw ng mga electron sa ilalim ng impluwensya ng isang electric field. Ang mga eksperimento ay nagpapakita na kapag ang kasalukuyang daloy sa pamamagitan ng isang metal na konduktor, walang sangkap na inililipat, samakatuwid, ang mga metal ions ay hindi nakikibahagi sa paglilipat ng electric charge.

Eksperimento ni E.Rikke Sa mga eksperimentong ito, ang isang electric current ay naipasa sa loob ng isang taon sa pamamagitan ng tatlong mahusay na makintab na mga silindro na nakadikit sa isa't isa - muli ang tanso, aluminyo at tanso. Ang kabuuang singil na dumaan sa mga cylinder sa panahong ito ay napakalaki (mga 3.5 * 10 6 C). Matapos makumpleto, natagpuan na mayroon lamang mga menor de edad na bakas ng mutual penetration ng mga metal, na hindi lalampas sa mga resulta ng ordinaryong pagsasabog ng mga atomo sa mga solido. Ang mga pagsukat na isinagawa na may mataas na antas ng katumpakan ay nagpakita na ang masa ng bawat isa sa mga cylinder ay nanatiling hindi nagbabago. Dahil ang mga masa ng tanso at aluminyo na mga atom ay malaki ang pagkakaiba sa isa't isa, ang masa ng mga silindro ay kailangang magbago nang kapansin-pansin kung ang mga tagadala ng singil ay mga ion.

Samakatuwid, ang mga carrier ng libreng bayad sa mga metal ay hindi mga ions. Ang malaking singil na dumaan sa mga cylinder ay tila dinala ng mga particle na pareho sa tanso at aluminyo. Tulad ng nalalaman, ang mga naturang particle ay bahagi ng mga atomo ng lahat ng mga sangkap - ito ay mga electron. Ito ay natural na ipagpalagay na ang kasalukuyang sa mga metal ay isinasagawa ng mga libreng electron.

Karanasan nina T. Stewart at R. Tolman Ang isang coil na may malaking bilang ng mga pagliko ng manipis na kawad ay hinimok sa mabilis na pag-ikot sa paligid ng axis nito. Ang mga dulo ng coil ay konektado gamit ang nababaluktot na mga wire sa isang sensitibong ballistic galvanometer. Ang untwisted coil ay mabilis na pinabagal, at isang panandaliang kasalukuyang lumitaw sa circuit dahil sa pagkawalang-galaw ng mga carrier ng singil. Ang kabuuang singil na dumadaloy sa circuit ay sinusukat sa pamamagitan ng pagpapalihis ng galvanometer needle.

6. Para sa lahat ng mga metal, habang tumataas ang temperatura, tumataas din ang resistensya. R=R 0 (1+at) kung saan ang a ay ang temperature coefficient; R 0 - resistivity at paglaban ng metal conductor; at R – resistivity ng conductor at resistance ng conductor sa temperatura t.

Noong 1911, natuklasan ng Dutch physicist na si Kamerlingh Onnes na kapag ang mercury ay pinalamig sa likidong helium, ang resistensya nito ay unti-unting nagbabago, at pagkatapos ay biglang bumaba sa zero sa temperatura na 4.2 K. Gayunpaman, ang zero resistance ay hindi lamang ang natatanging tampok ng superconductivity. Ito ay kilala rin mula sa teorya ni Drude na ang kondaktibiti ng mga metal ay tumataas sa pagbaba ng temperatura, iyon ay, ang electrical resistance ay may posibilidad na zero.

Saklaw ng aplikasyon 1. pagkuha ng malakas na magnetic field; 2. makapangyarihang mga electromagnet na may superconducting winding sa mga accelerator at generator. Sa ngayon, mayroong isang malaking problema sa sektor ng enerhiya - malaking pagkalugi ng kuryente kapag ipinapadala ito sa pamamagitan ng mga wire. Ang isang posibleng solusyon sa problema: na may superconductivity, ang paglaban ng mga conductor ay humigit-kumulang 0 at ang mga pagkalugi ng enerhiya ay nabawasan nang husto.

Ang mga metal sa solid state, gaya ng nalalaman, ay may mala-kristal na istraktura. Ang mga particle sa mga kristal ay nakaayos sa isang tiyak na pagkakasunud-sunod, na bumubuo ng isang spatial (crystalline) na sala-sala.

Ang mga positibong ion ay matatagpuan sa mga node ng metal crystal lattice, at ang mga libreng electron ay gumagalaw sa espasyo sa pagitan nila. Ang mga libreng electron ay hindi nauugnay sa nuclei ng kanilang mga atomo (Larawan 53).

kanin. 53. Metal crystal na sala-sala

Ang negatibong singil ng lahat ng mga libreng electron ay katumbas ng ganap na halaga sa positibong singil ng lahat ng mga ion ng sala-sala. Samakatuwid, sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang metal ay neutral sa kuryente. Ang mga libreng electron ay gumagalaw nang random sa loob nito. Ngunit kung ang isang electric field ay nilikha sa isang metal, pagkatapos ay ang mga libreng electron ay magsisimulang lumipat nang direksyon sa ilalim ng impluwensya ng mga puwersang elektrikal. Isang electric current ang magaganap. Sa kasong ito, ang random na paggalaw ng mga electron ay napanatili, tulad ng random na paggalaw sa isang kawan ng mga midges ay napanatili kapag, sa ilalim ng impluwensya ng hangin, ito ay gumagalaw sa isang direksyon.

Kaya, Ang electric current sa mga metal ay ang nakaayos na paggalaw ng mga libreng electron.

Mandelstam Leonid Isaakovich (1879-1944)
Russian physicist, akademiko. Gumawa siya ng malaking kontribusyon sa pagpapaunlad ng radiophysics at radio engineering.

Papaleksi Nikolai Dmitrievich (1880-1947)
Russian physicist, akademiko. Siya ay nakikibahagi sa pananaliksik sa larangan ng radio engineering, radio physics, at radio astronomy.

Ang katibayan na ang kasalukuyang sa mga metal ay sanhi ng mga electron ay ibinigay ng mga eksperimento ng mga physicist ng ating bansa na sina Leonid Isaakovich Mandelstam at Nikolai Dmitrievich Papaleksi, pati na rin ang mga American physicist na sina Balfour Stewart at Robert Tolman.

Ang bilis ng paggalaw ng mga electron mismo sa isang konduktor sa ilalim ng impluwensya ng isang electric field ay maliit - ilang millimeters bawat segundo, at kung minsan ay mas mababa pa. Ngunit sa sandaling lumitaw ang isang electric field sa konduktor, kumakalat ito sa buong haba ng konduktor sa napakalaking bilis, malapit sa bilis ng liwanag sa vacuum (300,000 km/s).

Kasabay ng pagpapalaganap ng electric field, ang lahat ng mga electron ay nagsisimulang lumipat sa isang direksyon kasama ang buong haba ng konduktor. Kaya, halimbawa, kapag ang circuit ng isang electric lamp ay sarado, ang mga electron na naroroon sa spiral ng lamp ay nagsisimula ring lumipat sa isang maayos na paraan.

Ang paghahambing ng electric current sa daloy ng tubig sa isang tubo ng tubig, at ang pamamahagi ng electric field na may pamamahagi ng presyon ng tubig ay makakatulong upang maunawaan ito. Kapag ang tubig ay tumaas sa isang water tower, ang presyon (presyon) ng tubig ay kumakalat nang napakabilis sa buong sistema ng supply ng tubig. Kapag binuksan namin ang gripo, ang tubig ay nasa ilalim na ng presyon at agad na umaagos. Ngunit ang tubig na nasa loob nito ay dumadaloy mula sa gripo, at ang tubig mula sa tore ay aabot sa gripo sa ibang pagkakataon, dahil ang paggalaw ng tubig ay nangyayari sa mas mababang bilis kaysa sa pagkalat ng presyon.

Kapag pinag-uusapan natin ang bilis ng pagpapalaganap ng electric current sa isang conductor, ibig sabihin natin ang bilis ng pagpapalaganap ng electric field kasama ang conductor.

Ang isang de-koryenteng signal na ipinadala, halimbawa, kasama ang mga wire mula sa Moscow hanggang Vladivostok (s = 8000 km), ay dumarating doon sa humigit-kumulang 0.03 s.

Mga tanong

1. Paano natin maipapaliwanag na sa ilalim ng normal na mga kondisyon ang isang metal ay neutral sa kuryente?
2. Ano ang mangyayari sa mga electron ng isang metal kapag lumitaw ang isang electric field dito?
3. Ano ang electric current sa metal?
4. Anong bilis ang ibig nilang sabihin kapag pinag-uusapan nila ang bilis ng pagpapalaganap ng electric current sa isang konduktor?

Mag-ehersisyo

Gamit ang Internet, alamin kung gaano kabilis ang paggalaw ng mga electron sa mga metal. Ikumpara ito sa bilis ng liwanag.