Електрически ток в метали - studopediya

Електрически ток в метали - е методично придвижване на електроните в електрическо поле. Експерименти показват, че когато ток протича през метален проводник на масов трансфер не се случи, следователно, металните йони са не участва в предаването на електрически заряд.

Най-убедително доказателство електронен характер на ток в метали е получен в експерименти с инерцията на електроните. Идеята за тези експерименти и първите качествени резултати принадлежат на български физици LI Манделщам и Н. Г. Papaleksi (1913 г.). През 1916, Американската физика R. Tolman и Scottish физика Б. Стюарт подобрена методология на тези експерименти и се извършва количествени измервания, е убедително доказва, че токът в металния проводник, причинени от движението на електрони.

Шофиране опит Толман и Стюарт е показано на фиг. 4.12.1. Coil с много обрати на тънка тел беше поставен в бързо въртене около оста си. Краищата на бобината посредством гъвкави проводници са свързани с чувствителен галванометър балистична G. развива макара рязко инхибира и кратко ток възникнала поради инерцията на носители на заряд верига. Общият заряд, преминаващ през веригата се измерва с до дъно игла галванометър.

Фигура 4.12.1. Шофиране опит Толман и Стюарт.

По време на спиране на въртящи се бобина на всеки превозвач заряд действа д забавящо сила, която играе роля на външна сила. което е, без електрическа енергия произход а. Двустранно сила на единица заряд, по дефиниция е напрежение Est поле на външни сили:

Следователно, по веригата електродвижеща сила при спиране намотка. равен

Концентрацията на N атома в метали е в рамките на 28 октомври -10 29 -3 m.

Въз основа на тази формула, за напречното сечение на метален проводник от 1 mm 2 чрез което ток от 10 А потоци, за да се получи средна скорост на подредени стойност електрон движение в рамките на 0.6-6 mm / C. Така, средната скорост на движение подредени на електроните в метални проводници, е много по-малка от средната скорост на топлинната движението на фиг. 4.12.3 дава представа за характера на един свободен електрон в кристална решетка.

Фигура 4.12.3. Движение на свободни електрони в кристалната решетка: а - случаен движение на електроните в метална решетка; б - хаотичен дрейф движение, причинено от електрическо поле. Големината на спрея са силно преувеличени.

Ниска скорост дрейф противоречи на експериментален факта, че токът през връзката DC е създадена почти мигновено. Късо съединение причинява размножаване на електрическото поле при скорост в = 3 х 10 8 m / сек. След време от порядъка на л / а (L - дължина на веригата) по веригата на неподвижен електрически разпределение на област и започва системно движение на електрони.

В класическия електрон теория на металите се приема, че движението на електроните се подчиняват на законите на Нютоновата механика. В тази теория, пренебрегвайки взаимодействието между електроните и тяхното взаимодействие с положителни йони да се намали само сблъсъци. Приема се също така, че за всеки сблъсък с електронен решетка предава цялата енергия, натрупана в електричното поле и следователно след въздействието, което тя започва движение от нулева ставка на дрейф.

Въпреки факта, че всички тези предположения са много приблизителни, класическа електронна теория обяснява качествено законите на електрически ток в метални проводници.

закона на Ом. В интервала между сблъсъци на електрона сила равна по размер EE, в резултат на което тя придобива ускорение Следователно, в края на свободния път на скоростта на електрон отклонение е

където # 964; - безплатно в пътя, който трябва да се опростят изчисления се приема еднакво за всички електрони. Средната стойност на скоростта на дрейфа, равна на половината от максималната стойност:

Да разгледаме дължина проводник L и напречно сечение S с п на електронната плътност. Токът в проводника може да се запише като:

Това съотношение се изразява закона на Джаул.

По този начин, класически електронната теория обяснява съществуването на електрическото съпротивление на метали, закона на Ом и Джаул. Въпреки това, редица въпроси класическа електронната теория води до изводи, които са в противоречие с опит.

Тази теория не може, например, да обясни защо моларната топлинен капацитет на метали, както и моларната топлината на диелектрични кристали е 3R, където R - универсална постоянна газ (Dulong и Petit закон). Наличието на свободни електрони в метала влияе на големината на капацитета на топлина.

Класическа теория електрон може също да обясни температурната зависимост на съпротивлението на метали. Теорията дава, докато експериментално получена зависимостта # 961;

Т. Все пак, най-ярък пример на несъответствието между теория и експеримент е свръхпроводимост.

Според класическата теория на електрони, специфичното съпротивление метал трябва да намалява монотонно с охлаждане, докато другият край на всички температури. Такава зависимост се наблюдава наистина експериментално при сравнително високи температури. При по-ниски температури от няколко Келвини съпротивление на много метали вече не зависи от температурата и достигне определена гранична стойност. Въпреки това, най-голям интерес е невероятно явление свръхпроводимост, открит от датския физик Х. Камерлинг Онес през 1911. При определена температура Тсг. различна за различни вещества, съпротивлението намалява рязко до нула (фиг. 4.12.4). Критичната температура на живак е 4.1 К, К 1.2 от алуминий, калай в 3.7 К. свръхпроводимост се наблюдава не само в клетките, но и много химични съединения и сплави. Например, ниобий съединение с калай (Sn Ni3) има критична температура от 18 К. Някои вещества преминават при ниски температури в свръхпроводящи състояние, не са проводници при нормални температури. В същото време тези "добри" проводници, като например мед и сребро, не става свръхпроводимост при ниски температури.

Фигура 4.12.4. Зависимостта на съпротивлението # 961; абсолютната температура Т при ниска температура: а - нормален метал; б - свръхпроводника.

Вещества в състояние свръхпроводящ имат изключителни свойства. Почти най-важната от тях е възможността за дълго време (много години), за да подкрепи електрически ток, без затихване, развълнуван в свръхпроводящ верига.

Класическа електронна теория не може да обясни феномена на свръхпроводимост. механизъм на това явление обяснение е дадено само на 60 години, след откриването му, въз основа на квантовите механични понятия.

Научният интерес към свръхпроводимост увеличава с откриването на нови материали с по-високи критични температури. Значителна стъпка в тази посока е настъпило през 1986 г., когато е установено, че композитен керамичен съединение Тсг = 35 К. За следващата 1987 физиците са успели в създаването на нови керамични с критична температура от 98 К над температурата на течен азот (77 К). Феноменът на преходен материал в състояние на свръхпроводящ при температури по-високи от температурата на кипене на течен азот, се нарича високо свръхпроводимост. През 1988 г. е създаден керамични съединение на базата елементи Tl-Са-Ba-Cu-О имат критична температура на 125 К.

В момента, интензивната работа по търсенето на нови материали с още по-високи стойности на Тсг. Учените се надяват да получат вещество в състояние свръхпроводящ при стайна температура. Ако това се случи, то ще бъде истинска революция в областта на науката, технологиите и по принцип в живота на хората.

Трябва да се отбележи, че до този момент на механизма на висока температура свръхпроводящи керамични материали не е напълно изяснен.