Curent electric în metale 1

Curentul electric din metale este mișcarea comandată a electronilor sub acțiunea unui câmp electric. Experimentele arată că atunci când un curent curge printr-un conductor metalic, nu există transfer de materie, prin urmare, ionii metalici nu participă la transferul de sarcină electrică.

Cea mai convingătoare dovadă a naturii electronice a curentului în metale a fost obținută în experimente cu inerție de electroni.

Ideea unor astfel de experimente și a primelor rezultate calitative aparțin fizicienilor ruși LI Mandel'shtam și ND Papaleksi (1913). In 1916, americanul fizician R. Tolman și fizician scoțian B. Stewart metodă îmbunătățită și efectuate măsurători cantitative, demonstrând astfel că curentul în conductorul metalic cauzată de mișcarea electronilor.

Conductivitatea electrică bună a metalelor se explică prin concentrația ridicată de electroni liberi.

În 1900, omul de știință german P. Drude, bazat pe ipoteza existenței electronilor liberi în metale, a creat o teorie electronică a conductivității metalelor. Această teorie a fost dezvoltată în lucrările fizicianului olandez H. Lorenz și se numește teoria electronică clasică. Conform acestei teorii, electronii din metale se comportă ca un gaz de electroni, la fel ca un gaz ideal. Gazul de electroni umple spațiul dintre ionii care formează rețeaua de cristal a metalului.

Din cauza interacțiunii cu ionii, electronii pot lăsa metalul numai prin ruperea așa-numitei barieri potențiale. Înălțimea acestei barieră se numește funcția de lucru. La temperaturile obișnuite (camere), electronii nu dispun de suficientă energie pentru a depăși bariera potențială.

Electronii liberi se mișcă haotic și în mișcare se ciocnesc cu ioni de zăbrele. Ca urmare a unor astfel de coliziuni, se stabilește un echilibru termodinamic între gazul de electroni și rețeaua electrică. Conform teoriei Drude-Lorentz, electronii au aceeași energie medie de mișcare termică ca moleculele unui gaz ideal monatomic. Aceasta ne permite să estimăm rata medie de mișcare termică a electronilor conform formulelor teoriei moleculare-cinetice. La temperatura camerei, este aproximativ egal cu 10 5 m / s.

Când un câmp electric extern este aplicat într-un conductor metalic, pe lângă mișcarea termică a electronilor, apare și mișcarea comandată (drift), adică un curent electric.

Viteza medie de deviație:

Concentrația electronilor liberi în metale este aproximativ egală cu concentrația de atomi n

10 28 -10 29 m -3. modul de încărcare electronică e = 1,6 * 10 19 Cl. Pentru un conductor cu o secțiune transversală S = 1 mm 2 = 10 -6 m 2 pentru o forță curentă I = 1 A, viteza mișcării ordonate a electronilor este

Timp de 1 s, electronii dintr-un conductor se mișcă datorită mișcării ordonate cu mai puțin de 0,1 mm.

Astfel, rata medie a mișcării ordonate a electronilor din conductorii metalici este de multe ordine de mărime mai mică decât viteza medie a mișcării termice.

Viteza de derivație scăzută contrazice faptul experimental că curentul în întreg circuitul DC este stabilit aproape instantaneu. Închiderea circuitului determină propagarea câmpului electric la o viteză c = 3 × 10 8 m / s. După o perioadă de ordinul lui l / s (l este lungimea lanțului), se stabilește o distribuție de câmp electric staționară de-a lungul lanțului și începe o mișcare ordonată a electronilor.

În teoria electronică clasică a metalelor, se presupune că mișcarea electronilor respectă legile mecanicii newtoniene. În această teorie, interacțiunea electronilor între ele este neglijată, iar interacțiunea lor cu ionii pozitivi se reduce doar la coliziuni. Se presupune, de asemenea, că pentru fiecare coliziune a grilajului de electroni transmite toată energia acumulată în domeniul electric și, prin urmare, după impactul pe care îl începe de mișcare de la o rată de drift la zero.

Teoria electronică clasică explică existența rezistenței electrice a metalelor, legile Ohm și Joule-Lenz. Cu toate acestea, într-o serie de probleme teoria electronică clasică conduce la concluzii care sunt în contradicție cu experimentul.

De exemplu, această teorie nu poate explica de ce capacitatea molară de căldură a metalelor. precum și capacitatea de căldură molară a cristalelor dielectrice, este 3R. unde R este constantul gazului universal (Legea lui Dulong și Petit). Prezența electronilor liberi nu afectează capacitatea de căldură a metalelor.

Teoria electronilor clasici nu poate explica, de asemenea, dependența de temperatură a rezistivității metalelor. Teoria oferă, din experiment, dependența # 961;

Conform teoriei electronice clasice, rezistivitatea metalelor ar trebui să scadă monotonic la răcire, rămânând finită la toate temperaturile.

Această dependență este într-adevăr observată experimental la temperaturi relativ ridicate.

La temperaturi mai scăzute de ordinul mai multor kelvin, rezistivitatea multor metale încetează să depindă de temperatură și atinge o anumită valoare limită. Fenomenul supraconductibilității este de maxim interes. descoperit de fizicianul danez H. Kammerling-Onnes în 1911. La o anumită temperatură Tcr. diferite pentru diferite substanțe, rezistivitatea scade brusc la zero.

Temperatura critică la 4.1 K. mercurul este de aluminiu la 1,2 KV 3,7 KV Supraconductibilitatea staniu se observă nu numai în celulele, ci, de asemenea, mulți compuși chimici și aliaje. De exemplu, compusul niobiu cu staniu (Ni3 Sn) are o temperatură critică de 18 K. Unele substanțe care trec la temperaturi scăzute în starea supraconductoare, nu sunt conductori la temperaturi obișnuite. În același timp, astfel de conductori "buni", cum ar fi cuprul și argintul, nu devin superconductori la temperaturi scăzute.

He-268,94 ° C, N (azot) -195,82 ° C, H (hidrogen) -252,77 ° C

Articole similare

• Nuci în alunecare electrică cu lapte condensat fiert (rețetă)

• Aparatura cu scanteie-1 cu curenți electrici

• Oreshnitsa beneficii electrice, caracteristici de alegere și de utilizare

Trimiteți-le prietenilor: