Наилучшей проводимостью среди различных материалов обладают металлы. Электрический ток в них возникает из-за существования большого числа свободных носителей зарядов. Именно их направленное движение приводит к изменению потенциала в точках тела. При этом потери при передаче зарядов определяются не только свойствами металла, но и окружающей средой.
Общие сведения
Одним из классов конструкционных материалов являются металлы. Их всех объединяет строение и похожие физические и химические свойства. К ним относятся 96 элементов из указанных в периодической таблице. Располагаются они в начале периодов. К ним принадлежат s- элементы первой и второй групп, а также германий, олово, свинец, сурьма, висмут d- и f- элементы.
Большая часть металлов существует в виде различных соединений или руд. К отличительным свойствам этих веществ относят:
- отражение света;
- пластичность;
- высокую плотность, теплопроводность, температуру плавления;
- участие в реакциях в виде восстановителей;
- отличную электропроводность.
Строение твёрдых тел определяется кристаллической решёткой. В её основе лежит атом. Он, в свою очередь, состоит из положительно заряженного протона и нейтрона. Вокруг атома по орбитали вращается электрон. Это отрицательно заряженная частица. Следует отметить, что знак зарядам присвоен условно для удобства понимания процессов, происходящих в телах.
Ядра в металлах располагаются в строго определённых местах. По своему виду кристаллическая решётка напоминает геометрические фигуры. Между двумя атомами расстояние составляет порядка десяти ангстрем. Место между положительно заряженными частицами заполнено свободными отрицательными носителями зарядов. Их совокупность образует так называемое электронное облако (газ).
В обычном состоянии атомы находятся в постоянном тепловом колебании. Свободные электроны беспорядочно двигаются, не изменяя энергетическое состояние тела. Суммарный переносимый ими заряд количественно равняется значению, обладающему положительными ионами. В таком состоянии металл нейтральный. Получается, что с одной стороны частицы с одинаковым знаком отталкиваются друг от друга, а с другой — притягиваются к противоположным. Поэтому возможно лишь только тепловое колебание, обусловленное изменением энергии частиц за счёт тепла.
Сам по себе электрический ток в твёрдых телах возникнуть не может.
Для того чтобы создать упорядоченное движение носителей зарядов, нужно приложить внешнее воздействие. Это может быть нагрев, деформация или электрическое поле. Стоит отметить, что наилучшей проводимостью обладает: алюминий, серебро, медь.
Потенциальный барьер и скорость
При изучении природы электрического тока в металлах в 8 классе ученикам дают определение потенциального барьера. Им называют область в пространстве, лежащую между другими областями с различной потенциальной энергией. Характеризуется барьер высотой, определяющей какую необходимо затратить работу на преодоление границ области. Это объясняет, почему электроны не могут покинуть поверхность металла, например, при его контакте с воздухом. Ведь последний является диэлектриком, а значит работа выхода будет составлять высокое значение.
Для того чтобы возник электрический ток, нужно создать поле, направляющее движение электронов. Скорость носителей зарядов при этом будет зависеть от электродвижущей силы. Так, советским учёным Байдасовым было установлено, что при разности потенциалов в один вольт на сантиметр скорость перемещения электронов в металле составляет около десяти сантиметров в секунду. Например, расстояние в металлическом проводнике длиной в пять километров электрон преодолеет при напряжении в сто вольт за восемь лет.
Если же нет никаких сторонних сил, то согласно теории Друде — Лоренца, перемещение электронов можно сравнить с одноатомным идеальным газом. Это позволяет оценить тепловое движение частиц, используя молекулярно-кинетическую теорию. При комнатной температуре расчётная скорость показала значение: V = 105 м/с.
Зонная модель проводимости позволяет объяснить природу тока в металлах. При достижении большим числом частиц одного места в кристаллической структуре происходит образование химических связей за счёт электронов. Причём располагаться они могут на внешних, валентных и электронных оболочках. В результате происходит расщепление энергетического уровня и появляется зона разрешённых переходов. Установлено, что расстояние между зонами в несколько раз меньше энергии, появившейся при тепловом движении.
Если металл окажется под действием электрического поля, то отрицательно заряженные частицы будут стремиться перейти в точки с меньшим энергетическим значением. Но перемещение приводит к возрастанию энергии электронов. Переход на высший энергетический уровень возможен в одном случае — если он свободен. В металлах есть достаточно много таких уровней, поэтому они и обеспечивают хорошую проводимость электрического тока.
Опыт Мандельштама и Папалекси
В классической теории предполагают, что перемещение частиц происходит в соответствии с законами механики. При этом пренебрегают силой взаимодействия между электронами. Считают, что при соударении с противоположно заряженными частицами кристаллической решётки ей передаётся вся энергия, ранее полученная в поле.
Два радиофизика Мандельштам и Папалекси предполагали, что раз электрон обладает массой, то он должен иметь и инерцию. То есть если взять какой-либо метал привести его в движение, а затем резко остановить, то должно возникнуть направленное движение электронов. Опыт их был довольно оригинален. Для его проведения учёные подготовили:
- катушку;
- источник тока;
- телефон.
Кратко опыт состоял из простого действия. Физики подавали на витки ток, а затем резко останавливали катушку. Щелчок, раздававшийся в телефонном наушнике, позволял судить им о возрастании тока. Отсюда они сделали вывод как о существовании массы у электрона, так и о возможности появления электротока без участия электромагнитного поля. Кроме этого, позволил утверждать о возможности возникновения электрического тока вне замкнутой цепи.
Советские учёные смогли качественно установить существование явления, но количественное измерение провести не смогли. Американец Толмен и шотландец Стюарт, заинтересовавшись открытым эффектом, усовершенствовали эксперимент и не только подтвердили опытный факт, но и смогли определить величину удельного заряда при резком торможении.
Для своей катушки они использовали 500 метров проволоки. С помощью скользящих контактов она подключалась к гальванометру и раскручивалась вдоль своей оси. Линейная скорость достигалась равной 500 м/с.
Для расчёта электродвижущей силы использовалась формула: E = (1 / e) * ∫ F * dL, где:
- F — сторонняя сила;
- L — длина проводника;
- e — заряд частицы.
После интегрирования, использования выражения, определяющего силу инерции и закона Ома конечная расчётная формула приняла вид:
q = (m * L * r / e * R) * dw, где: w — угловая скорость вращения. Используемый баллистический гальванометр позволил физикам замерить отношение e / m. Опыты показали, что значение удельного заряда оказалось равным 1,7 * 1011 Кл / кг. Это доказало, что инерция вызывает сообщение частиц. При этом в переносе зарядов участвуют электроны.
Зависимость от температуры
Физическая величина, показывающая какое количество заряда может пройти через определённую поверхность за установленное время, определяется силой тока. Называться этот параметр так стал из-за того, что фактически он описывает воздействие, оказываемое на заряженную частицу. Поэтому можно использовать для расчёта электрического тока в металлах формулу: I = Δq / Δt. В качестве единицы взят был ампер.
Но как показали эксперименты значение силы тока сильно зависит от температуры металла. Для того чтобы представлять, как будет создаваться электричество в металле и почему оно зависит от температуры, нужно знать от чего зависит сопротивление проводника. Им называется величина, обратная проводимости: R = (p * l) / S. Сила же тока — это значение обратное сопротивлению. Так вот, в металлах при нагревании R увеличивается, значит, значение тока уменьшается.
Объяснить это можно следующим образом. Электроток образуется за счёт свободных электронов. Сила тока зависит от сечения материала и средней скорости движения: I = e * n * v * S. C увеличением температуры происходит возрастание амплитудных колебаний ионов в кристаллической решётке. Чем оно больше, тем свободным электронам труднее проникнуть сквозь атомы. В результате скорость движения уменьшается, а значит снижается и сила тока.
Зависимость сопротивления от температуры можно описать формулой: (R — R 0) / R 0 = a * Δ t, где Δt — разность между установившейся и начальной температурой (t = 00C). Так как при нагревании линейные размеры металлического проводника практически не изменяются, то при расчётах их не учитывают, беря во внимание только удельное сопротивление. Эффект зависимости тока от температуры нашёл своё применение при изготовлении датчиков, термометров.
В 1911 году Каммерлинг открыл явление, после названное сверхпроводимостью. Он обнаружил, что при замораживании в металлах сопротивление полностью исчезает. В 1986 году было обнаружено, что при 100 градусах по кельвину возникает высокотемпературная сверхпроводимость. Механизмы возникновения этих явлений до сих пор точно учёным неизвестны.
