Як рухаються електрони у металі. Електричний струм у металах. Електричний струм у металах – це впорядкований рух електронів під впливом електричного поля. Досвіди показують, - презентація

Всі метали в твердому та рідкому станіє провідниками електричного струму. Спеціально поставлені досліди показали, що при проходженні електричного струму маса металевих провідників залишається постійною, не змінюється і їх хімічний склад. На цій підставі можна було припустити, що у створенні електричного струму в металах беруть участь лише електрони. Припущення про електронну природу електричного струму в металах підтверджено дослідами радянських фізиків Л. І. Мандельштама та Н. Д. Папалексі та американських фізиків Т. Стюарта та Р. Толмена. У цих дослідах було виявлено, що при різкій зупинці котушки, що швидко обертається, у проводі котушки виникає електричний струм, що створюється негативно зарядженими частинками - електронами

При відсутності електричного полявільні електрони переміщуються у кристалі металу хаотично. Під дією електричного поля вільні електрони, крім хаотичного руху, набувають упорядкованого руху в одному напрямку, і в провіднику виникає електричний струм. Вільні електрони стикаються з іонами кристалічних ґрат, віддаючи їм при кожному зіткненні кінетичну енергію, набуту при вільному пробігу під дією електричного поля. В результаті впорядкований рух електронів у металі можна розглядати як рівномірний рух із деякою постійною швидкістю V.

Так як кінетична енергія електронів, що купується під дією електричного поля, передається при зіткненні іонами кристалічних ґрат, то при проходженні постійного струмупровідник нагрівається.

Залежність питомого електричного опору металів від температури.

Питомий опір металів під час нагрівання збільшується приблизно за лінійним законом (рис. 152):

де р - питомий електричний опір металу при температурі t, ро - його питомий опір при О °С, а - температурний коефіцієнт опору, особливий для кожного металу,

З наближенням температури до абсолютного нуля питомий опір монокристалів стає дуже малим. Цей факт свідчить про те, що в ідеальних кристалічних гратах металу електрони переміщуються під дією електричного поля, не взаємодіючи з іонами решітки. Довжина їх вільного пробігу при цьому може досягати значень близько 1 см, тобто в 107-108 разів перевищує міжатомні відстані в кристалі. Електрони взаємодіють лише з іонами, що не перебувають у вузлах кристалічної решітки.

При підвищенні температури зростає кількість дефектів у кристалічній решітці через теплові коливання іонів, - це призводить до зростання питомого опору кристала.

У тому, що електричний опір металів обумовлено взаємодіями електронів провідності з різними дефектами решітки, переконує і той факт, що питомий опір кристалів металів залежить від наявності в них домішок. Наприклад, введення 1% домішки марганцю збільшує питомий опір міді втричі.

Надпровідність.

У 1911 р. нідерландський вчений Гейке Камерлінг-Онієс (1853-1926) виявив, що при зниженні температури ртуті до 4,1 К її питомий опір стрибком зменшується до нуля (рис. 153). Явище зменшення питомого опору до нуля за нормальної температури, що відрізняється від абсолютного нуля, називається надпровідністю. Матеріали, що виявляють здатність переходити при деяких температурах, відмінних від абсолютного нуля, надпровідний стан, називаються надпровідниками.

Проходження струму у надпровіднику відбувається без втрат енергії, тому одного разу збуджений у надпровідному кільці електричний струм може існувати необмежено довго без зміни.

Надпровідні матеріали вже використовують у електромагнітах. Ведуться дослідження, створені задля створення надпровідних ліній електропередачі.

Застосування явища надпровідності у широкій

практиці може стати реальністю найближчими роками завдяки відкриттю 1986 р. надпровідності керамік - сполук лантану, барію, міді та кисню. Надпровідність таких керамік зберігається до температури близько 100 К.

Швидкість упорядкованого руху електронів у провіднику.

Для визначення швидкості впорядкованого руху вільних електричних зарядів у провіднику потрібно знати концентрацію вільних носіїв заряду та силу струму. Якщо концентрація вільних електричних зарядів у провіднику за проміжок часу через поперечний переріз провідника при швидкості їх упорядкованого руху проходить електричний зарядрівний

У цьому розділі ми розпочинаємо докладне вивчення того, як здійснюється проходження електричного струму в різних провідних середовищах твердих тілах, рідинах і газах.

Нагадаємо, що необхідною умовоювиникнення струму є наявність у середовищі достатньо великої кількостівільних зарядів, які можуть розпочати впорядкований рух під впливом електричного поля. Такі середовища і називаються провідниками електричного струму.

Найбільш поширені металеві провідники. Тому ми починаємо з питань поширення електричного струму в металах.

Ми багато разів говорили про вільні електрони, які є носіями вільних зарядів у металах. Вам добре відомо, що електричний струм у металевому провіднику утворюється в результаті спрямованого руху вільних електронів.

3.13.1 Вільні електрони

Метали в твердому стані мають кристалічну структуру: розташування атомів у просторі характеризується періодичною повторюваністю та утворює геометрично правильний малюнок, званий кристалічною решіткою.

Атоми металів мають невелику кількість валентних електронів, розташованих на зовнішній електронної оболонки. Ці валентні електрони слабко пов'язані з ядром, і атом може їх втратити.

Коли атоми металу займають місця в кристалічній решітці, валентні електрони залишають свої оболонки вони стають вільними і відправляються гуляти по всьому кристалу18. У вузлах кристалічної решітки металу залишаються позитивні іони, простір між якими заповнений «газом» вільних електронів (рис.3.47).

+ + + ++

Мал. 3.47. Вільні електрони

Вільні електрони і справді поводяться подібно до частинок газу19 здійснюючи тепловий рух, вони хаотично ходять туди-сюди між іонами кристалічної решітки. Сумарний заряд вільних електронів дорівнює по модулю і протилежний за знаком загальному заряду позитивних іонів, тому металевий провідник в цілому виявляється електрично нейтральним.

Газ вільних електронів є «клеєм», на якому тримається вся кристалічна структура провідника. Адже позитивні іони відштовхуються один від одного, так що кристалічні грати, що розпираються зсередини потужними кулонівськими силами, могли б розлетітися в різні боки. Однак у той же час іони металу притягуються до обволака-

18 Зокрема, вільні електрони переміщаються зовнішніми орбіталями сусідніх атомів. Ці орбіталі перекриваються один з одним внаслідок близького розташування атомів у кристалічній решітці, так що вільні електрони виявляються загальною власністю всього кристала.

19 Інший адекватний образ електронне море, яке омиває кристалічні грати.

електронному газу, що їх дає, і, як ні в чому не бувало, залишаються на своїх місцях, здійснюючи лише теплові коливання у вузлах кристалічної решітки поблизу положень рівноваги.

Що станеться, якщо металевий провідник включити в замкнутий ланцюг, що містить джерело струму? Вільні електрони продовжують здійснювати хаотичний тепловий рух, але тепер під дією зовнішнього електричного поля, що виникло, вони також почнуть переміщатися впорядковано. Це спрямоване протягом електронного газу, що накладається на тепловий рух електронів, і є електричний струм у металі20. Швидкість упорядкованого руху електронів у металевому провіднику, як нам відомо, становить близько 0;1 мм/с.

3.13.2 Досвід Рікке

Чому ми вирішили, що струм у металах створюється рухом саме вільних електронів? Позитивні іони кристалічних ґрат також відчувають на собі дію зовнішнього електричного поля. Може, вони теж переміщаються всередині металевого провідника та беруть участь у створенні струму?

Упорядкований рух іонів означало б поступове перенесення речовини вздовж напрямку електричного струму. Тому треба просто пропускати струм провідником протягом дуже тривалого часу і подивитися, що в результаті вийде. Такі експеримент і був поставлений Е. Рікке в 1901 році.

У електричний ланцюгбули включені три притиснуті один до одного циліндри: два мідні по краях і один алюмінієвий між ними (рис. 3.48). Цим ланцюгом пропускався електричний струм протягом року.

Мал. 3.48. Досвід Рікке

За рік крізь циліндри пройшов заряд понад три мільйони кулонів. Припустимо, кожен атом металу втрачає по одному валентному електрону, отже заряд іона дорівнює елементарному заряду e = 1;6 10 19 Кл. Якщо струм створюється рухом позитивних іонів, то неважко підрахувати (зробіть це самі!), що така величина заряду, що пройшов по ланцюгу, відповідає переносу вздовж ланцюга близько 2 кг міді.

Однак після роз'єднання циліндрів було виявлено лише незначне проникнення металів один в одного, обумовлене природною дифузією їх атомів (і не більше). Електричний струм у металах не супроводжується перенесенням речовини, тому позитивні іони металу не беруть участі у створенні струму.

3.13.3 Досвід Стюарта-Толмена

Прямий експериментальний доказ те, що електричний струм у металах створюється рухом вільних електронів, було дано досвіді Т. Стюарта і Р. Толмена (1916 рік).

20 Тому вільні електрони називаються також електронами провідності.

Мал. 3.49. Досвід Стюарта-Толмена

Експерименту Стюарта-Толмена передували якісні спостереження, зроблені чотирма роками раніше російськими фізиками Л. І. Мандельштамом та Н. Д. Папалексі. Вони звернули увагу на так званий електроінерційний ефект: якщо різко загальмувати провідник, що рухається, то в ньому виникає короткочасний імпульс струму. Ефект пояснюється тим, що протягом невеликого часу після гальмування провідника його вільні заряди продовжують рухатися за інерцією.

Однак жодних кількісних результатів Мандельштам та Папалексі не отримали, і спостереження їх не було опубліковано. Честь назвати досвід своїм ім'ям належить Стюарту і Толмену, які спостерігали зазначений електроінерційний ефект, а й зробили необхідні виміри і розрахунки.

Установка Стюарта та Толмена показана на рис. 3.49. Котушка великою кількістю витків металевого дроту приводилася у швидке обертання навколо осі. Кінці обмотки за допомогою ковзних контактів були приєднані до спеціальному приладубалістичному гальванометру, який дозволяє вимірювати заряд, що проходить через нього.

Після різкого гальмування котушки в ланцюзі виникав імпульс струму. Напрямок струму вказував на те, що він спричинений рухом негативних зарядів. Вимірюючи балістичним гальванометром сумарний заряд, що проходить ланцюгом, Стюарт і Толмен обчислили ставлення q=m заряду однієї частки до її масі. Воно виявилося рівним відношенню e=m для електрона, яке на той час вже було добре відоме.

Так було остаточно з'ясовано, що носіями вільних набоїв у металах є вільні електрони. Як бачите, цей давно і добре знайомий

Вам факт був встановлений порівняно пізно враховуючи, що металеві провідники на той момент вже більше століття активно використовувалися в найрізноманітніших експериментах з електромагнетизму21.

3.13.4 Залежність опору від температури

Досвід показує, що з нагріванні металевого провідника його опір збільшується. Як це пояснити?

Причина проста: з підвищенням температури теплові коливання іонів кристалічних ґрат стають більш інтенсивними, так що кількість зіткнень вільних електронів з іонами зростає. Чим активніший тепловий рух ґрат, тим важче електронам пробиратися крізь проміжки між іонами22. Швидкість упорядкованого руху електронів зменшується, тому зменшується і сила струму (при постійній напрузі). Це означає збільшення опору.

21 Порівняйте, наприклад, із датою відкриття закону Ома 1826 рік. Справа, однак, полягає в тому, що сам електрон був відкритий лише 1897 року.

22 Уявіть собі прохідні двері, що обертаються. В якому разі важче проскочити через неї: коли вона обертається повільно чи швидко? :-)

Як знову-таки показує досвід, залежність опір-
ня R металевого провідника від температури t з гарною
точністю є лінійною:
R = R0 (1 + t):
Тут R0 опір провідника при 0 C. Графік за-
висимості (3.68) є прямою лінією (рис.3.50).

Множник називається температурним коефіцієнтом опору. Його значення для різних металів та сплавів можна знайти в таблицях.

Довжина провідника l та його площа поперечного перерізу S за зміни температури змінюються несуттєво. Виразимо R і R0 через питомий опір:

		; R0

і підставимо ці формули (3.68 ). Отримаємо аналогічну залежність питомого опору від температури:

0 (1 + t):

Коефіцієнт дуже малий (для міді, наприклад, = 0; 0043), так що температурною залежністю опору металу часто можна знехтувати. Однак у ряді випадків зважати на неї доводиться. Наприклад, вольфрамова спіраль електричної лампочки розжарюється настільки, що її вольт-амперна характеристикавиявляється суттєво нелінійною.

Мал. 3.51. Вольт-амперна характеристика лампочки

Так, на рис. 3.51 наведено вольт-амперну характеристику автомобільної лампочки. Якби лампочка являла собою ідеальний резистор, її вольт-амперна характеристика була прямою лінією відповідно до закону Ома. Ця пряма зображена синім пунктиром.

Однак у міру зростання напруги, прикладеної до лампочки, графік відхиляється від цієї прямої все сильніше і сильніше. Чому? Справа в тому, що зі збільшенням напруги струм через лампочку зростає і більше розігріває спіраль; опір спіралі тому також зростає. Отже, сила струму хоч і продовжить зростати, але матиме все менше і менше значення в порівнянні з тим, яке надається «пунктирною» лінійною залежністю струму від напруги.

Електричний струм у металах

Електричний струм у металах – це впорядкований рух електронів під впливом електричного поля. Досліди показують, що при протіканні струму металевим провідником перенесення речовини не відбувається, отже, іони металу не беруть участі в перенесенні електричного заряду.

Найбільш переконливий доказ електронної природи струму в металах було отримано у дослідах із інерцією електронів. Ідея таких дослідів та перші якісні результати (1913 р.) належать російським фізикам Л. І. Мандельштаму та Н. Д. Папалексі. У 1916 році американський фізик Р. Толмен і шотландський фізик Б. Стюарт удосконалили методику цих дослідів і виконали кількісні виміри, які незаперечно довели, що струм у металевих провідниках зумовлений рухом електронів.

Схема досвіду Толмена та Стюарта показана на рис. 1.12.1. Котушка з великою кількістю витків тонкого дроту приводилася у швидке обертання навколо осі. Кінці котушки за допомогою гнучких проводів були приєднані до чутливого балістичному гальванометру Г. Розкручена котушка різко гальмувалась, і в ланцюзі виникав короткочасний струм, зумовлений інерцією носіїв заряду. Повний заряд, що протікає ланцюгом, вимірювався по відкидання стрілки гальванометра.

Схема досвіду Толмена та Стюарта

При гальмуванні котушки, що обертається, на кожен носій заряду eдіє гальмівна сила F = - m d υ d t, яка відіграє роль сторонньої сили, тобто сили неелектричного походження. Стороння сила, віднесена до одиниці заряду, за визначенням є напруженістю E стполя сторонніх сил: E ст = - m e d? d t.

Отже, в ланцюзі при гальмуванні котушки виникає електрорушійна силаℰ, що дорівнює ℰ = E ст l = - m e d υ d t l , де l- Довжина дроту котушки. За час гальмування котушки ланцюгом протікає заряд q, рівний q = ∫ I d t = 1 R ∫ ℰ d t = m e l υ 0 R .

Тут I – миттєве значеннясили струму в котушці, R- Повний опір ланцюга, υ 0 - Початкова лінійна швидкість дроту.

Звідси питомий заряд e/mвільних носіїв струму в металах дорівнює: e m = l 0 R q .

Усі величини, що входять у праву частину цього співвідношення, можна виміряти. На підставі результатів дослідів Толмена та Стюарта було встановлено, що носії вільного заряду в металах мають негативний знака відношення заряду носія до його маси близько до питомого заряду електрона, отриманого з інших дослідів. Так було встановлено, що носіями вільних зарядів у металах є електрони.

За сучасними даними модуль заряду електрона (елементарний заряд) дорівнює e = 1,60218 ? 10 - 19 Кл, а його питомий заряд є e m = 1,75882 ? 10 11 Кл / кг.

Хороша електропровідність металів пояснюється високою концентрацією вільних електронів, що дорівнює порядку величини числу атомів в одиниці об'єму.

Припущення про те, що за електричний струм у металах відповідальні електрони, виникло значно раніше за досвіди Толмена і Стюарта. Ще 1900 року німецький вчений П. Друде виходячи з гіпотези про існування вільних електронів у металах створив електронну теорію провідності металів. Ця теорія отримала розвиток у роботах голландського фізика Х. Лоренца і носить назву класичної електронної теорії. Згідно з цією теорією, електрони в металах поводяться як електронний газ, багато в чому схожий на ідеальний газ. Електронний газ заповнює простір між іонами, що утворюють кристалічні ґрати металу (рис. 1.12.2).

Газ вільних електронів у кристалічній решітці металу. Показано траєкторію одного з електронів

Через взаємодію з іонами електрони можуть залишити метал лише подолавши так званий потенційний бар'єр. Висота цього бар'єру називається роботою виходу. При нормальних (кімнатних) температурах у електронів не вистачає енергії для подолання потенційного бар'єру.

Через взаємодію з кристалічною решіткою потенційна енергія виходу електрона всередині провідника виявляється меншою, ніж при видаленні електрона з провідника. Електрони у провіднику знаходяться у своєрідній «потенційній ямі», глибина якої і називається потенційним бар'єром.

Як іони, що утворюють ґрати, так і електрони беруть участь у тепловому русі. Іони здійснюють теплові коливання поблизу положень рівноваги – вузлів кристалічних ґрат. Вільні електрони рухаються хаотично і зі своїм рухом зіштовхуються з іонами решітки. Внаслідок таких зіткнень встановлюється термодинамічна рівновага між електронним газом та ґратами. Відповідно до теорії Друде-Лоренца, електрони мають таку ж середню енергію теплового руху, як і молекули одноатомного ідеального газу. Це дозволяє оцінити середню швидкість теплового руху електронів за формулами молекулярно-кінетичної теорії. При кімнатній температурі вона приблизно дорівнює 10 5 м/с.

При накладенні зовнішнього електричного поля металевому провіднику крім теплового руху електронів виникає їх упорядкований рух (дрейф), тобто електричний струм. Середню швидкість υ д дрейфу можна оцінити з наступних міркувань. За інтервал часу Δ tчерез поперечний переріз Sпровідника пройдуть усі електрони, що знаходилися в об'ємі S ? д Δ t .

Число таких електронів дорівнює nS υ д Δ t , де n- Середня концентрація вільних електронів, приблизно рівна числу атомів в одиниці об'єму металевого провідника. Через переріз провідника за час Δ tпройде заряд Δ q = e n S υ д Δ t . Звідси випливає: I = Δq t = e n S υ д. або υ д = I e n S

Концентрація nатомів у металах знаходиться в межах 1028 -1029 м -3.

Оцінка за цією формулою для металевого провідника перерізом 1 мм 2 , за яким тече струм 10 А, дає для середньої швидкості ? д упорядкованого руху електронів значення в межах 0,6-6 мм/c. Таким чином, Середня швидкістьυ д упорядкованого руху електронів у металевих провідниках на багато порядків менше середньої швидкостіυ ¯ т їх теплового руху(υ д<< υ ¯ т) . Рис. 1.12.3 дает представление о характере движения свободного электрона в кристаллической решетке.

Рух вільного електрона в кристалічній решітці: а - Хаотичнерух електрона в кристалічній решітці металу; b - Хаотичнерух із дрейфом, обумовленим електричним полем. Масштаби дрейфу υ д Δ t сильно перебільшені

Мінімальна швидкість дрейфу на суперечить досвідченому факту, що струм у всьому ланцюгу постійного струму встановлюється майже миттєво. Замикання ланцюга викликає поширення електричного поля зі швидкістю c = 3?10 8 м/с. Через час порядку l/c (l- Довжина ланцюга) вздовж ланцюга встановлюється стаціонарний розподіл електричного поля і в ньому починається впорядкований рух електронів.

У класичній електронній теорії металів передбачається, що рух електронів підпорядковується законам механіки Ньютона. У цій теорії нехтують взаємодією електронів між собою, які взаємодія з позитивними іонами зводять лише до зіткнень. Передбачається також, що при кожному зіткненні електрон передає решітці всю накопичену в електричному полі енергію і тому після зіткнення він починає рух з нульовою швидкістю.

Незважаючи на те, що всі ці припущення є наближеними, класична електронна теорія якісно пояснює закони електричного струму в металевих провідниках.

Закон Ома. У проміжку між суударениями на електрон діє сила, що дорівнює модулю eE, внаслідок чого він набуває прискорення e m E . Тому до кінця вільного пробігу дрейфова швидкість електрона дорівнює ? д = (? д) max = e E m?, де? Середнє значення швидкості дрейфу υ д дорівнює половині максимального значення: υ д = 1 2 (υ д) max = 1 2 e E m τ .

Розглянемо провідник довжини lта перетином Sз концентрацією електронів n. Струм у провіднику може бути записаний у вигляді: I = e n S ? U = El- Напруга на кінцях провідника. Отримана формула виражає закон Ома металевого провідника. Електричний опір провідника дорівнює: R = 2 m e 2 n l S , а питомий опір ρ і питома провідність ν виражаються співвідношеннями: ρ = 2 m e 2 n τ; ν = 1 ρ = e 2 n τ 2 m.

Таким чином, класична електронна теорія пояснює існування електричного опору металів, закони Ома та Джоуля-Ленца. Однак у низці питань класична електронна теорія призводить до висновків, що перебувають у суперечності з досвідом.

Ця теорія не може, наприклад, пояснити, чому молярна теплоємність металів, так само як і молярна теплоємність діелектричних кристалів, дорівнює 3 R, де R- Універсальна газова постійна (закон Дюлонга і Пті, див. ч. I, § 3.10). Наявність вільних електронів позначається на величині теплоємності металів.

Класична електронна теорія не може пояснити температурну залежність питомого опору металів. Теорія дає співвідношення ρ ~ T , тоді як з експерименту виходить залежність ρ ~ T. Однак найбільш яскравим прикладом розбіжності теорії та дослідів є надпровідність.

Згідно з класичною електронною теорією, питомий опір металів повинен монотонно зменшуватися при охолодженні, залишаючись кінцевим при всіх температурах. Така залежність справді спостерігається досвіді при порівняно високих температурах. При нижчих температурах близько кількох кельвінів питомий опір багатьох металів перестає залежати від температури і досягає певного граничного значення. Однак найбільший інтерес представляє дивовижне явище надпровідності, відкрите датським фізиком Х. Каммерлінг-Оннесом у 1911 році. При певній температурі Tкр, різної для різних речовин, питомий опір стрибком зменшується нанівець (рис. 1.12.4). Критична температура у ртуті дорівнює 4,1 К, алюмінію 1,2 К, олова 3,7 К. Надпровідність спостерігається не тільки у елементів, а й у багатьох хімічних сполук і сплавів. Наприклад, з'єднання ніобію з оловом (Ni 3 Sn) має критичну температуру 18 К. Деякі речовини, що переходять за низьких температур у надпровідний стан, не є провідниками при звичайних температурах. У той же час такі «хороші» провідники, як мідь та срібло, не стають надпровідниками за низьких температур.

Залежність питомого опору від абсолютної температури Tпри низьких температурах: a – нормальнийметал; b - Надпровідник

Речовини у надпровідному стані мають виняткові властивості. Практично найбільш важливим з них є здатність тривалий час (багато років) підтримувати без згасання електричний струм, збуджений у надпровідному ланцюгу.

Класична електронна теорія неспроможна пояснити явище надпровідності. Пояснення механізму цього явища було дано лише через 60 років після відкриття на основі квантово-механічних уявлень.

Науковий інтерес до надпровідності зростав у міру відкриття нових матеріалів із вищими критичними температурами. Значний крок у цьому напрямі було зроблено в 1986 році, коли було виявлено, що одна складна керамічна сполука Tкр = 35 K. Вже наступного 1987 року фізики зуміли створити нову кераміку з критичною температурою 98 К, ​​що перевищує температуру рідкого азоту (77 К). Явище переходу речовин у надпровідний стан при температурах, що перевищують температуру кипіння рідкого азоту, було названо високотемпературною надпровідністю. У 1988 році було створено керамічну сполуку на основі елементів Tl-Ca-Ba-Cu-O з критичною температурою 125 К.

В даний час ведуться інтенсивні роботи з пошуку нових речовин із ще вищими значеннями Tкр. Вчені сподіваються отримати речовину у надпровідному стані за кімнатної температури. Якщо це станеться, це буде справжня революція в науці, техніці і взагалі в житті людей.

Слід зазначити, що досі механізм високотемпературної надпровідності керамічних матеріалів до кінця не з'ясований.




Електричний струм у металах – це впорядкований рух електронів під впливом електричного поля. Досліди показують, що при протіканні струму металевим провідником не відбувається перенесення речовини, отже, іони металу не беруть участі в переносі електричного заряду.

Досвід Е. Рікке У цих дослідах електричний струм пропускали протягом року через три притиснуті один до одного, добре відшліфовані циліндри - мідний, алюмінієвий і знову мідний. Загальний заряд, що пройшов цей час через циліндри, був дуже великий (близько 3,5*10 6 Кл). Після закінчення було встановлено, що є лише незначні сліди взаємного проникнення металів, які перевищують результатів звичайної дифузії атомів у твердих тілах. Вимірювання, проведені з високим ступенем точності, показали, що маса кожного із циліндрів залишилася незмінною. Оскільки маси атомів міді та алюмінію істотно відрізняються один від одного, то маса циліндрів мала б помітно змінитися, якби носіями заряду були іони.

Отже, вільними носіями заряду в металах не є іони. Величезний заряд, що пройшов через циліндри, був перенесений, очевидно, такими частинками, які однакові й у міді, й у алюмінії. Як відомо, такі частки входять до складу атомів усіх речовин – це електрони. Природно припустити, що струм металів здійснюють саме вільні електрони.

Досвід Т.Стюарта та Р.Толмена Котушка з великою кількістю витків тонкого дроту приводилася у швидке обертання навколо своєї осі. Кінці котушки за допомогою гнучких проводів були приєднані до чутливого балістичного гальванометра. Розкручена котушка різко гальмувалась, і в ланцюзі виникав короткочасний струм, зумовлений інерцією носіїв заряду. Повний заряд, що протікає ланцюгом, вимірювався по відкидання стрілки гальванометра.

6. У всіх металів зі збільшенням температури зростає і опір. R=R 0 (1+at), де a - температурний коефіцієнт; R 0 – питомий опір та опір металевого провідника; і R – питомий опір провідника та опір провідника при температурі t.

У 1911 році голландський фізик Камерлінг-Оннес виявив, що при охолодженні ртуті в рідкому гелії її опір спочатку змінюється поступово, а потім при температурі 4,2 ​​К різко падає до нуля. Однак нульовий опір не єдина риса надпровідності. Ще з теорії Друде відомо, що провідність металів збільшується зі зниженням температури, тобто електричний опір прагне нуля.

Область застосування: 1. отримання сильних магнітних полів; 2. потужні електромагніти з надпровідною обмоткою в прискорювачах та генераторах. Зараз в енергетиці існує велика проблема - великі втрати електроенергії під час передачі її проводами. Можливе вирішення проблеми: при надпровідності опір провідників приблизно дорівнює 0 та втрати енергії різко зменшуються.

Метали у твердому стані, як відомо, мають кристалічну будову. Частинки в кристалах розташовані в певному порядку, утворюючи просторові (кристалічні) грати.

У вузлах кристалічної решітки металу розташовані позитивні іони, а просторі між ними рухаються вільні електрони. Вільні електрони пов'язані з ядрами своїх атомів (рис. 53).

Мал. 53. Кристалічні грати металу

Негативний заряд усіх вільних електронів за абсолютним значенням дорівнює позитивному заряду всіх іонів грати. 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.

Отже, електричний струм у металах є впорядкованим рухом вільних електронів.

Мандельштам Леонід Ісаакович (1879-1944)
Російський фізик, академік. Вніс істотний внесок у розвиток радіофізики та радіотехніки.

Папалексі Микола Дмитрович (1880-1947)
Російський фізик, академік. Займався дослідженнями у галузі радіотехніки, радіофізики, радіоастрономії.

Доказом того, що струм у металах обумовлений електронами, з'явилися досліди фізиків нашої країни Леоніда Ісааковича Мандельштама та Миколи Дмитровича Папалексі, а також американських фізиків Бальфура Стюарта та Роберта Толмена.

Швидкість руху самих електронів у провіднику під впливом електричного поля невелика - кілька міліметрів на секунду, інколи ж і ще менше. Але як тільки у провіднику виникає електричне поле, воно з величезною швидкістю, близькою до швидкості світла у вакуумі (300 000 км/с), поширюється по всій довжині провідника.

Одночасно з поширенням електричного поля всі електрони починають рухатися в одному напрямку по всій довжині провідника. Так, наприклад, при замиканні ланцюга електричної лампи впорядкований рух приходять і електрони, що є в спіралі лампи.

Зрозуміти це допоможе порівняння електричного струму з течією води у водопроводі, а розповсюдження електричного поля – з поширенням тиску води. Під час підйому води у водонапірну вежу тиск (напір) води дуже швидко поширюється по всій водопровідній системі. Коли ми відкриваємо кран, вода вже знаходиться під тиском і відразу починає текти. Але з крана тече та вода, яка була в ньому, а вода з вежі дійде до крана набагато пізніше, оскільки рух води відбувається з меншою швидкістю, ніж поширення тиску.

Коли говорять про швидкість розповсюдження електричного струму у провіднику, то мають на увазі швидкість розповсюдження по провіднику електричного поля.

Електричний сигнал, посланий, наприклад, проводами з Москви до Владивостока (s = 8000 км), приходить туди приблизно через 0,03 с.

Запитання

1. Як пояснити, що у звичайних умовах метал електрично нейтральний?
2. Що відбувається з електронами металу у разі виникнення в ньому електричного поля?
3. Що таке електричний струм у металі?
4. Яку швидкість мають на увазі, коли говорять про швидкість розповсюдження електричного струму у провіднику?

Завдання

Використовуючи Інтернет, знайдіть, з якою швидкістю рухаються електрони у металах. Порівняйте її зі швидкістю світла.