1.12. Curent electric în metale
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 (1913) aparțin fizicienilor ruși LI Mandel'shtam și ND Papaleksi. In 1916, americanul fizician R. Tolman și fizician scoțian B. Stewart îmbunătățit metodologia acestor experimente și efectuate măsurători cantitative, este demonstrat în mod concludent că curentul electric în conductorul metalic cauzată de mișcarea electronilor.
Schema experimentului lui Tolman și Stewart este prezentată în Fig. 1.12.1. O bobină cu un număr mare de ture ale unui fir subțire a fost condusă într-o rotație rapidă în jurul axei sale. Capetele bobinei prin intermediul unor cabluri flexibile au fost atașate la un galvanometru sensibil balistică G. reel brusc inhibat derulată și curent de scurtcircuit apărut din cauza inerției purtătorilor de sarcină. Încărcarea totală care curge de-a lungul lanțului a fost măsurată prin respingerea săgeții galvanometrului.
Experimentul lui Tolman și al lui Stewart
Când frânele rotative spiră, o forță de decelerare acționează asupra fiecărui suport de încărcare e, care joacă rolul unei forțe externe. adică forțe de origine neelectrică. Forța externă pe unitate de încărcare, prin definiție, este forța E a câmpului forțelor externe:
În consecință, în lanț, când bobina se oprește, apare o forță electromotoare, care este egală cu
unde l este lungimea firului bobinei. În timpul frânării bobinei, o sarcină q curge prin circuit. egal
Aici am valoarea instantanee a curentului în bobină, R este impedanța circuitului și u0 este viteza inițială liniară a firului.
Prin urmare, sarcina specifică e / m a purtătorilor liberi în metale este egală cu:
Toate cantitățile care apar în partea dreaptă a acestei relații pot fi măsurate. sa constatat ca purtatori de sarcina din metale au un semn negativ, iar purtător de sarcină la masă raportul este aproape de taxa specifică unui electron, obținut de la alte teste pe baza rezultatelor experimentelor de Stewart și Tolman. Deci, sa stabilit că purtătorii de taxe libere în metale sunt electroni.
Conform datelor moderne, încărcarea electronică (încărcătura elementară) este egală cu
și sarcina sa specifică este
Conductivitatea electrică bună a metalelor se explică prin concentrația ridicată de electroni liberi, care are aceeași ordine de mărime ca și numărul de atomi pe unitatea de volum.
Presupunerea că electronii sunt responsabili pentru curentul electric în metale a apărut mult mai devreme decât experimentele lui Tolman și Stewart. Înapoi 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 electronic umple spațiul dintre ionii care formează rețeaua de cristal a metalului (Figura 1.12.2).
Gaz de electroni liberi în rețeaua de cristal a unui metal. Traiectoria unuia dintre electroni
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.
Din cauza interacțiunii cu rețeaua de cristal, energia potențială a ieșirii electronului din interiorul conductorului este mai mică decât atunci când electronul este îndepărtat din conductor. Electronii din conductor sunt într-un fel de "potențial de bine", adâncimea căruia se numește barieră potențială.
Atât ionii care formează rețeaua, cât și electronii participă la mișcarea termică. Ionii efectuează oscilații termice în apropierea pozițiilor de echilibru - nodurile rețelei cristaline. 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 derivație poate fi estimată din următoarele considerente. Pe durata intervalului Δt, prin secțiunea transversală S a conductorului, toți electronii care se află în volum
Numărul de astfel de electroni este egal cu unde n este concentrația medie a electronilor liberi, aproximativ egală cu numărul de atomi pe unitatea de volum a conductorului metalic. Prin secțiunea transversală a conductorului, sarcina trece prin timpul Δt. Rezultă că:
Concentrația atomilor n în metale este în intervalul 10 28 -10 29 m -3.
O estimare a acestei formule pentru un conductor metalic cu o secțiune transversală de 1 mm 2. Conform căruia curentul curge 10 A, valoarea pentru viteza medie a mișcării ordonate a electronilor se situează în intervalul 0,6-6 mm / s. Astfel, viteza medie a mișcării ordonate a electronilor din conductorii metalici este de multe ordine de mărime mai mică decât viteza medie a mișcării lor termice. 1.12.3 dă o idee despre natura mișcării unui electron liber în rețeaua cristalină.
Propunerea unui electron liber într-o rețea de cristal: o mișcare haotică a unui electron în rețeaua de cristal a unui metal; b - mișcare haotică cu derivă cauzată de un câmp electric. Amplitudinea deviației este mult exagerată
Viteza scăzută de deviere este în contradicție cu 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 l / c (l este lungimea lanțului), este stabilită 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.
În ciuda faptului că toate aceste ipoteze sunt foarte aproximative, teoria electronică clasică explică calitativ legile curentului electric din conductorii metalici.
Legea lui Ohm. În intervalul dintre coliziuni un electron acționează asupra electronului, egal în mărime cu eE. prin urmare, la sfârșitul traseului liber, viteza de derivație a electronului este
unde τ este timpul mediu liber, care se presupune a fi același pentru toți electronii, pentru a simplifica calculele. Viteza medie de deviație este jumătate din valoarea maximă:
Luați în considerare un conductor cu lungimea l și secțiunea S cu concentrația de electroni n. Curentul din conductor poate fi scris ca:
Astfel, teoria electronică clasică explică existența rezistenței electrice a metalelor, legile lui Ohm și Joule-Lenz. Cu toate acestea, într-o serie de probleme teoria electronică clasică conduce la concluzii care sunt în contradicție cu experimentul.
Această teorie nu poate, de exemplu, explica de ce capacitatea termică molară a metalelor, precum căldura molară de cristale dielectrice este 3 în care R. R - constanta universală a gazelor (Legea Dulong și Petit, cm h I, § 3.10 ..). Prezența electronilor liberi afectează amploarea capacității de căldură a metalelor.
Teoria electronilor clasici nu poate explica, de asemenea, dependența de temperatură a rezistivității metalelor. Teoria dă o relație, iar din experiment dependența ρ
T. Cu toate acestea, exemplul cel mai frapant al discrepanței dintre teorie și experimente este superconductivitatea.
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. Cu toate acestea, cel mai mare interes este fenomenul uimitor de supraconductibilitate. descoperit de fizicianul danez H. Kammerling-Onnes în 1911. La o anumită temperatură T cr. diferite pentru diferite substanțe, rezistivitatea scade brusc la zero (Figura 1.12.4). Temperatura critică pentru mercur este de 4,1 K, pentru aluminiul de 1,2 K, pentru tubul de 3,7 K. Supraconductivitatea este observată nu numai în elemente, ci și în multe compuși chimici și aliaje. De exemplu, un compus de niobiu cu staniu (Ni3Sn) are o temperatură critică de 18 K. Unele substanțe care se transformă în stări superconductoare la temperaturi scăzute nu sunt conductoare la temperaturi obișnuite. În același timp, astfel de conductori "buni", cum ar fi cuprul și argintul, nu devin superconductori la temperaturi scăzute.
Dependența rezistivității ρ la temperatura absolută T la temperaturi scăzute: a - metal normal; b - supraconductor
Substanțele în starea superconductoare au proprietăți excepționale. Aproape cel mai important dintre ele este abilitatea de a se menține mult timp (mulți ani) fără a atenua curentul electric excitat în circuitul supraconductor.
Teoria electronică clasică nu este capabilă să explice fenomenul de superconductivitate. Explicația mecanismului acestui fenomen a fost dată numai 60 de ani de la descoperirea sa pe baza unor concepte mecanice cuantice.
Interesul stiintific superconductivitatea a crescut odată cu descoperirea de noi materiale cu temperaturi mai ridicate critice. Un pas important în această direcție a fost făcută în anul 1986, când sa descoperit că un compozit ceramic compus T cr = 35 K. Pentru următoarea 1987, fizicienii au reușit să creeze un nou ceramic având o temperatură critică de 98 K, depășind temperatura azotului lichid (77 K ). Fenomenul materialului de tranziție în starea supraconductoare la temperaturi mai mari decât temperatura de fierbere a azotului lichid, a fost numit de temperatură ridicată superconductivitatea. In 1988, a fost creat elemente compuse pe bază de ceramică Tl-Ca-Ba-Cu-O având o temperatură critică de 125 K.
În prezent, este în curs de desfășurare o activitate intensă de căutare a noilor substanțe cu valori și mai mari ale Tcr. Oamenii de știință speră să obțină substanța în stare superconductoare la temperatura camerei. Dacă se întâmplă acest lucru, va fi o adevărată revoluție în știință, tehnologie și în general în viața oamenilor.
Trebuie remarcat faptul că până acum mecanismul supraconductivității la temperaturi înalte a materialelor ceramice nu a fost complet clarificat.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: