Электрический ток в металлах

 

 

Реферат по теме:

«Электрический  ток в металлах»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Автор: Левченко Лилия

Ученица 10 Б класса

МОУ СОШ №20

Электрический ток в металлах

Содержание

 

1. Введение……………………………………………………………….4

 

2. Природа электрического тока в металлах……………5

 

3. Законы в металлической среде. Сила тока в металлическом проводнике. Плотность тока проводимости. Удельное сопротивление проводника…………………………………………………………6-7

 

4. Вольт - амперная характеристика металлов………..8

 

5. Механизм проводизма………………………………………….9

 

6. Применение тока в металлах………………………………10

 

7. Явление сверхпроводимости………………………...11-12

 

8. Опыт Рикке…………………………………………………………..13

 

9. Опыт Стюарта – Толмена…………………………..……14-15

 

10. Заключение……………………………………………………..….16

 

11. Список литературы…………………………………………..…17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Электрический ток присутствует везде, он течет: в нашем организме, передавая нервные импульсы, в  атмосфере, вызывая разряды молнии и тому подобное, и, конечно же, в  электрических приборах, протекая по металлическим проводам.

Электрический ток в металлах - это движение отрицательно заряженных свободных электронов под действием  электрического поля в пространстве между положительно заряженными  ионами упорядоченной кристаллической  решетки металла. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.  

Другими словами, в металлах есть электроны, способные перемещаться по металлу. Они получили название электронов проводимости. Положительные заряды в металле представляют собой ионы, образующие кристаллическую решетку. В отсутствии внешнего поля электроны в металле движутся хаотично, претерпевая соударения с ионами решетки. Под воздействием внешнего электрического поля электроны начинают упорядоченное движение, накладывающееся на их прежние хаотические флуктуации. В процессе упорядоченного движения электроны по-прежнему сталкиваются с ионами кристаллической решетки. Именно этим и обусловлено электрическое сопротивление.

 

 

 

 

 

 

Природа электрического тока в металлах.

 

Все металлы в твердом и жидком состоянии являются проводниками электрического тока. Специально поставленные опыты  показали, что при прохождении  электрического тока масса металлических  проводников остается постоянной, не изменяется и их химический состав. На этом основании можно было предположить, что в создании электрического тока в металлах участвуют только электроны. Предположение об электронной природе  электрического тока в металлах подтверждено опытами советских физиков Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси и американских физиков Т. Стюарта и Р. Толмена. В этих опытах было обнаружено, что при резкой остановке быстро вращающейся катушки в проводе катушки возникает электрический ток, создаваемый отрицательно заряженными частицами — электронами. 
При отсутствии электрического поля свободные электроны перемещаются в кристалле металла хаотически. Под действием электрического поля свободные электроны, кроме хаотического движения, приобретают упорядоченное движение в одном направлении, и в проводнике возникает электрический ток. Свободные электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, отдавая им при каждом столкновении кинетическую энергию, приобретенную при свободном пробеге под действием электрического поля. В результате упорядоченное движение электронов в металле можно рассматривать как равномерное движение с некоторой постоянной скоростью  . 
Так как кинетическая энергия электронов, приобретаемая под действием электрического поля, передается при столкновении ионами кристаллической решетки, то при прохождении постоянного тока проводник нагревается.

 

 

 

 

 

Законы в металлической  среде. Сила тока в металлическом  проводнике. Плотность тока проводимости. Удельное сопротивление проводника.

 

Сила  тока в металлическом проводнике определяется по формуле:

 

 

где I - сила тока в проводнике, e - модуль заряда электрона,  n₀ - концентрация электронов проводимости,   - средняя скорость упорядоченного движения электронов,  S - площадь поперечного сечения проводника. 

 

Плотность тока проводимости численно равна заряду, проходящему за 1с через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению тока.

 

 

где j - плотность тока.

 

У большинства металлов практически  каждый атом ионизирован. А так как концентрация электронов проводимости  одновалентного металла равна

 

 

где N_a - постоянная Авогадро,  A - атомная масса металла, ρ - плотность металла, то получаем, что концентрация определяется в пределах 10²⁸ - 10²⁹ м^-3. 

 

Закон Ома для однородного участка цепи:

 

 

где U - напряжение на участке,  R - сопротивление участка. 

 

 

 

 

Для однородного участка  цепи:

 

 

где  ρ_У - удельное сопротивление проводника, l - длина проводника,  S - площадь поперечного сечения проводника.

 

 

 

Удельное  сопротивление проводника зависит от температуры, и  эта зависимость выражается соотношением:

 

ρ_у = ρ_оу ( 1 + α ∆Т )

 

где ρ_оу  - удельное сопротивление металлического проводника при температуре Т =273К, α -термический коэффициент сопротивления, ∆Т = Т - Т_о  - изменение температуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вольт – амперная характеристика металлов

 

Сила тока в  проводниках по закону Ома прямо пропорциональна напряжению. Такая зависимость имеет место для проводников со строго заданным сопротивлением ( для резисторов).

 

 

Тангенс угла наклона графика равен  проводимости проводника. Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению

где  G - проводимость. 

 

Но так как сопротивление  металлов зависит от температуры, то вольт - амперная характеристика металлов не является линейной.

 

 

 

 

Механизм проводизма

 

Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т. е. электроны, слабо связанные с  ионами кристаллической решетки  металла. Это представление о  природе носителей тока в металлах основывается на электронной теории проводимости металлов, созданной немецким физиком П. Друде (1863—1906) и разработанной впоследствии нидерландским физиком X. Лоренцем, а также на ряде классических опытов, подтверждающих положения электронной теории.

Электроны внешних оболочек атомов (валентные электроны) обобществлены, то есть принадлежат одновременно многим атомам. Эти электроны могут хаотически двигаться, образуя "электронный  газ", в который оказываются  погруженными положительные ионы, расположенные  в узлах кристаллической решетки. Роль электронного газа в металлах очень велика. Хаотически двигающиеся  электроны осуществляют сильную  металлическую связь, скрепляя решетку, построенную из одинаково заряженных (а, следовательно, взаимно отталкивающихся) ионов. Если представить, что из металла  удалили абсолютно все свободные  электроны, то ионы, имеющие одинаковый знак заряда, разлетелись бы в стороны, а решетка бы "взорвалась".

Именно свободные электроны, участвующие  в переносе электрического заряда, создавая электрический ток, и обуславливают высокую электро- и теплопроводность металлических кристаллов.

 

 

 

 

 

 

 

Применение тока в металлах

 

- получение сильных  магнитных полей;

 
- мощные электромагниты со сверхпроводящей  обмоткой в ускорителях и генераторах;

 

-используется для  передачи электроэнергии на расстояние

 

- в нагревательных  приборах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Явление сверхпроводимости

 

Однако наибольший интерес  представляет удивительное явление сверхпроводимости, открытое датским физиком Х. Каммерлинг-Оннесом в 1911 году. При некоторой определенной температуре Tкр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис. 1).

Критическая температура у ртути равна 4,1 К, у алюминия 1,2 К, у олова 3,7 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у элементов, но и у многих химических соединений и сплавов. Например, соединение ниобия с оловом (Ni3Sn) имеет критическую температуру 18 К. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах. В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.

Рисунок 1

Рисунок 1. Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник.

Вещества в сверхпроводящем  состоянии обладают исключительными  свойствами. Практически наиболее важным их них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без  затухания электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи. Классическая электронная теория не способна объяснить  явление сверхпроводимости. Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений.

 

 

Научный интерес к сверхпроводимости  возрастал по мере открытия новых  материалов с более высокими критическими температурами. Значительный шаг в  этом направлении произошел в 1986 году, когда было обнаружено, что у одного сложного керамического соединения Tкр = 35 K. Уже в следующем 1987 году физики сумели создать новую керамику с критической температурой 98 К, превышающей температуру жидкого азота (77 К). Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота, было названо высокотемпературной сверхпроводимостью. 

В 1988 году было создано керамическое соединение на основе элементов Tl–Ca–Ba–Cu–O с критической температурой 125 К. В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями Tкр. Ученые надеются получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если это произойдет, это будет настоящей революцией в науке, технике и вообще в жизни людей. Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Опыт Рикке

 

Упорядоченное движение ионов  означало бы постепенный перенос  вещества вдоль направления электрического тока. Поэтому надо просто пропускать ток по проводнику на протяжении весьма длительного времени и посмотреть, что в итоге получится. Такого рода эксперимент и был поставлен  Э. Рикке в 1901 году.

В электрическую цепь были включены три прижатых друг к другу  цилиндра: два медных по краям и  один алюминиевый между ними (рис. 2). По этой цепи пропускался электрический  ток в течение года.

Рисунок 2

За год сквозь цилиндры прошёл заряд более трёх миллионов  кулон. Предположим, что каждый атом металла теряет по одному валентному электрону, так что заряд иона равен элементарному заряду e = Кл. Если ток создаётся движением положительных ионов, то нетрудно подсчитать, что такая величина прошедшего по цепи заряда соответствует переносу вдоль цепи около 2 кг меди.

Однако после разъединения цилиндров было обнаружено лишь незначительное проникновение металлов друг в друга, обусловленное естественной диффузией  их атомов (и не более того). Электрический ток в металлах не сопровождается переносом вещества, поэтому положительные ионы металла не принимают участия в создании тока.

 

Опыт Стюарта  – Толмена

 

Прямое экспериментальное  доказательство того, что электрический  ток в металлах создаётся движением свободных электронов, было дано в опыте Т. Стюарта и Р. Толмена (1916 год).

Эксперименту Стюарта–Толмена предшествовали качественные наблюдения, сделанные четырьмя годами ранее русскими физиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Они обратили внимание на так называемый электроинерционный эффект: если резко затормозить движущийся проводник, то в нём возникает кратковременный импульс тока. Эффект объясняется тем, что в течение небольшого времени после торможения проводника его свободные заряды продолжают двигаться по инерции.