Додаткові теоретичні відомості. Метали відносяться до провідників

Метали відносяться до провідників. В таблиці Менделєєва метали розташовані ближче до середини, що говорить про велику кількість електронів в атомах металів на електронних оболонках. Метали мають велику густину та сильні сили взаємодії між сусідніми атомами. Завдяки цій взаємодії електрони з останніх орбіт атомів легко відриваються і стають вільними (приймають участь в тепловому хаотичному русі), а атоми у вузлах кристалічної градки перетворюються на позитивні іони. Відповідно метали мають електронну провідність.

Метали у твердому стані мають кристалічну будову. Частинки в кристалах розташовані в певному порядку, утворюючи просторову (кристалічну) грати. Як вам вже відомо, в будь-якому металі частина валентних електронів покидає свої місця в атомі, в результаті чого атом перетворюється в позитивний іон. У вузлах кристалічної решітки металу розташовані позитивні іони, а в просторі між ними рухаються вільні електрони (електронний газ), тобто не пов'язані з ядрами своїх атомів.

Негативний заряд усіх вільних електронів за абсолютним значенням дорівнює позитивному заряду всіх іонів решітки. Тому в звичайних умовах метал електрично нейтральний.

Які ж електричні заряди рухаються під дією електричного поля в металевих провідниках? Ми можемо припустити, що під дією електричного поля рухаються вільні електрони. Але це наше припущення потребує доказів. У 1899 р. К. Рікке на трамвайній підстанції у Штуттгарті включив в головний провід, що живить трамвайні лінії, послідовно один одному торцями три тісно притиснутих циліндра; два крайніх були мідними, а середній - алюмінієвим. Через ці циліндри більше року проходив електричний струм. Провівши ретельний аналіз того місця, де циліндри контактували, К. Рікке не виявив в міді атомів алюмінію, а в алюмінії - атомів міді, тобто дифузія не відбулася. Таким чином, він експериментально довів, що при проходженні по провідникові електричного струму іони не переміщаються. Отже, переміщуються одні лише вільні електрони, а вони у всіх речовин однакові.

Існування електронів провідності в металах було доведено вченими і в іншому досліді. Якщо привести в швидке обертання дротяної котушки, а потім її різко зупинити, то в такому колі електровимірювальні прилади покаже наявність короткочасного струму, хоча в ланцюзі немає джерела струму електрони провідності продовжували рухатися. Отже, електричний струм у металевих провідниках є впорядкований рух вільних електронів, під дією електричного поля.

Якщо в провіднику немає електричного поля, то електрони рухаються хаотично, аналогічно тому, як рухаються молекули газів або рідин. У кожний момент часу швидкості різних електронів відрізняються по модулях і за напрямками. Якщо ж у провіднику створено електричне поле, то електрони, зберігаючи свій хаотичний рух, починають зміщуватися у бік позитивного полюса джерела. Разом з хаотичним рухом електронів виникає і упорядкований їх перенесення - дрейф.

Швидкість упорядкованого руху електронів у провіднику під дією електричного поля невелика - кілька міліметрів в секунду, а іноді і ще менше. Але як тільки в провіднику виникає електричне поле, воно з величезною швидкістю, близькою до швидкості світла у вакуумі (300 000 км / с), поширюється по всій довжині провідника.

Одночасно з поширенням електричного поля всі електрони починають рухатися в одному напрямку по всій довжині провідника. Так, наприклад, при замиканні ланцюга електричної лампи в впорядкований рух приходять і електрони, наявні в спіралі лампи.

Зрозуміти це допоможе порівняння електричного струму з течією води у водопроводі, а поширення електричного поля - з поширенням тиску води. При підйомі води в водонапірну вежу дуже швидко по всій водопровідній системі поширюється тиск (напір) води. Коли ми відкриваємо кран, то вода вже знаходиться під тиском і починає текти. Але з крана тече та вода, яка була в ньому, а вода з башти дійде до крана багато пізніше, тому що рух води відбувається з меншою швидкістю, ніж поширеною-ня тиску.

Коли говорять про швидкість поширення електричного струму в провіднику, то мають на увазі швидкість розповсюдження по провіднику електричного поля.

Електричний сигнал, посланий, наприклад, по проводах з Москви до Владивостока (s = 8000 км), приходить туди приблизно через 0,03 с.

Опір в металах – це причини, які заважають впорядкованому руху заряджених частинок і приводять до втрати електричної енергії. Причина опору в металах полягає: в тепловому хаотичному русі заряджених частинок, який може припинитися тільки при температурі абсолютного нуля (Т=0К→ t⁰=-273 ⁰С); взаємодії з протилежними зарядженими частинками при протіканні електричного струму.

Із збільшенням температури у металах збільшується і опір, прямо пропорційно, оскільки, збільшується тепловий хаотичний рух.

Метали відносяться до провідників, які мають у своєму складі вільні носії електричного заряду, які можуть переносити електричну енергію від постачальника до споживача. А діелектрики – це речовини, які в своєму складі не мають вільних носіїв електричного заряду і не проводять електричний струм.

До провідників належать речовини, які мають заряджені частинки, що здатні рухатись впорядковано по всьому об'єму тіла під дією електричного поля. Заряди цих частинок називають вільними зарядами. Провідниками є всі метали, деякі хімічні сполуки, водні розчини солей, кислот, лугів, розплави солей, іонізовані гази. Розглянемо поведінку в електричному полі тільки твердих металевих провідників. У металах носіями вільних зарядів є вільні електрони. Їх називаютьелектронами провідності.

Під час утворення металу з нейтральних атомів внаслідок взаємодії між ними електрони зовнішніх оболонок атомів повністю втрачають зв'язки зі своїми атомами і стають "власністю" всього провідника в цілому. У результаті позитивно заряджені іони оточені негативно зарядженим газом, що утворюється колективізованими електронами. Вільні електрони беруть участь у тепловому русі і можуть переміщуватися по шматку металу в будь-якому напрямі.

Лабораторна робота №4
«Дослідження термоелектрорушійної сили термопари»

Мета роботи: визначити залежність між термоелектрорушійною силою і різницею температур спаїв термопари. Побудувати градуйовочну криву термопари.

Прилади і обладнання: термопара; чутливий гальванометр; два термометра (від 0˚до 100˚ С); два термостати; електричне коло з живленням і нагрівачем.

Теоретичні відомості.При з’єднанні двох різних металів (наприклад мідь – залізо, хромель – копель, константан і мідь і т. п.) між ними виникає так звана контактна різниця потенціалів, але її неможливо використати для збудження струму в замкнутому колі, якщо температура контактів, спаїв однакова

Але якщо підігрівати, чи охолоджувати лише один зі спаїв, то завдяки різниці температур спаїв в замкнутому колі виникає струм, який можливо виміряти чутливим приладом.

Величина термоелектрорушійної сили (ТЕРС) термопари залежить не тільки від температур спаїв, але і від природи металів, що створюють дану термопару, тобто від роботи виходу електронів і концентрації електронів у металі.

Робота виходу електронів визначається тою енергією, яку повинен мати електрон щоб вийти з поверхні метала в навколишній простір.

Концентрація електронів визначається кількістю електронів в 1 м³ цього металу.

На рис.1 зображена принципова схема термопари де використовується контактна різниця потенціалів двох спаїв, які мають різну температуру.

Якщо підігрівати чи охолоджувати один із спаїв, то внаслідок різниці температур спаїв кожен з них буде мати свою контактну різницю потенціалів Т₁=Т₂ і U₁=U₂, а потім у колі виникає так звана термоелектрорушійна сила, яка викличе термоелектричний струм.

Величина електрорушійної сили термопари залежить не тільки від різниці температури спаїв, але і природи металів, що створюють цю термопару (робота виходу електронів і їх концентрація). Якщо різниця температур спаїв порядку 100ºС, то термо – ЕРС термопари змінюється прямо пропорційно різниці температур спаїв.