Электронная проводимость металлов. Постоянный электрический ток, его характеристики. Условия необходимые для возникновения тока.

Электронная проводимость металлов: По способности веществ проводить электрический ток их можно разделить на несколько групп. К одной группе относятся вещества, которые содержат много свободных заряженных частиц, и поэтому в них легко создать электрический ток. Их называют проводниками. К проводникам, прежде всего, следует отнести все металлы, среди которых наилучшей электропроводностью обладают серебро, медь, алюминий. Металлические проводники находят широчайшее применение в передаче электроэнергии от источника тока к потребителям. Эти проводники используются также в генераторах, электродвигателях, трансформаторах, электроизмерительных приборах и т. д

Наряду с металлами хорошими проводниками являются водные растворы или расплавы электролитов и ионизованный газ – плазма. При определенных условиях в вакууме может существовать электрический ток Так, в вакуумных электронных приборах электрический ток образуют потоки электронов, поступающие из специальных устройств. Свободными носителями заряда в большинстве металлов являются свободные электроны. В отсутствие электрического поля они движутся беспорядочно, участвуя в тепловом движении. Под действием электрического поля электроны начинают упорядоченно перемещаться между ионами, находящимися в узлах кристаллической рещетки, со средней скоростью порядка 10^-4 м/с, образуя электрический ток.

Ионы кристаллической решетки металла в твердом состоянии не принимают участия в создании тока. Их перемещение при прохождении тока означало бы перенос вещества вдоль проводника. Опыты же по пропусканию тока в течение многих месяцев показали, что ничего подобного не происходит.

Опыты по пропусканию электрического тока в течение многих месяцев были поставлены учеными Э. Рикке, Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси, а также Т Стюартом и Р. Толменом.

Э Рикке составил цепь (рис 3.1), в которую входили три прижатые друг к другу цилиндра, из которых два крайние были медные, а средний – алюминиевый. В течение года через эти цилиндры протекал ток порядка 0,1 А, так что общий заряд, прошедший через цилиндры превысил 3,5×10⁶ Кл. По окончании опыта цилиндры были разъединены, и обнаружились лишь следы взаимного проникновения, не превышающие результатов обычной диффузии атомов в твердых телах.

Мандельштамом и Папалекси также был поставлен опыт, экспериментально доказывающий, что проводимость электронов обусловлена движением свободных электронов. Идея опыта заключалась в следующем: кусок металла приводился в движение и затем тормозился. В случае резкого торможения, находящиеся в нем свободные заряды, двигаясь по инерции, будут скапливаться у его переднего конца, и между концами проводника возникнет разность потенциалов. Такие эффекты были открыты в их опыте и были названы электроинерционными. Реализация опыта была довольно проста: катушка, соединенная с телефоном, приводилась в колебательное движение вокруг своей оси (рис 3.2). Благодаря инерции свободных зарядов на концах катушки возникала переменная разность потенциалов, и телефон издавал звук. Однако это был лишь качественный опыт.

Четыре года спустя Т. Стюартом и Р. Толменом был осуществлен опыт с количественными результатами. В их опыте катушка большого диаметра с намотанным на нее металлическим проводом приводилась в быстрое вращение и затем резко тормозилась (рис 3.3). При торможении катушки свободные заряды в проводнике продолжали некоторое время двигаться по инерции. Вследствие движения зарядов относительно проводника в катушке возникал кратковременный электрический ток, который регистрировался гальванометром, присоединенным к концам проводника с помощью скользящих контактов. Переносимый при этом заряд прямо пропорционален отношению заряда q₀ частиц, создающих электрический ток, к их массе m, то есть q₀/m. Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за все время существования тока в цепи, удалось определить отношение q₀/m. Оно оказалось равным 1,8×10¹¹ Кл/кг. Это значение совпадает со значением отношения заряда к массе для электрона (e/m), которое было найдено ранее из других опытов.

Постоянный электрический ток и его характеристики:Неподвижные электрические заряды редко используются на практике. Для того чтобы заставить электрические заряды служить человеку, их нужно привести в движение – создать электрический ток. Жизнь современного человека невозможно представить себе без электрического тока (электричества). Ток освещает квартиры, приводит в движение различное производственное оборудование (станки), создает радиоволны, благодаря которым возможна радиосвязь, обеспечивает работу всех электронно-вычислительных машин от карманного калькулятора до персонального компьютера. Самым простым случаем движения заряженных частиц является постоянный электрический ток, поэтому начнем с него.

Как и каждое понятие любой науки, прежде всего, необходимо определить, что такое электрический ток. Затем определить условия его возникновения, оказываемые им действия и прочее.

Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц.

Для его существования необходимо выполнение двух условий:

1. Необходимы свободные заряды – носители тока, например, заряженные частицы.

2. Наличие внешнего электрического поля.

В проводнике, концентрация свободных зарядов, которые могут перемещаться по всему объему тела, наибольшая в сравнении с другими веществами. Поэтому для передачи энергии электромагнитного поля из одной точки пространства в другую чаще в подавляющем большинстве случае используют металлические проводники.

Таки образом, электрический ток существует лишь тогда, когда происходит перенос электрических зарядов с одного места в другое. Если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в куске металла, то переноса заряда не происходит. Электрический заряд перемещается в проводнике лишь в том случае, если наряду с беспорядочным движением электроны участвуют в упорядоченном движении заряженных частиц. В этом случае и говорят, что в проводнике устанавливается электрический ток. Электрический ток возникает не только при упорядоченном движении свободных электронов в металлах, но и при упорядоченном движении положительных и отрицательных ионов в водных растворах и расплавах электролитов (солей, кислот, щелочей), ионов и электронов в газах и прочее.

Что же представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц? При упорядоченном движении заряженные частицы могут участвовать и в тепловом движении, то есть двигаться хаотически, но на такое движение всегда накладывается перемещение в каком-либо определенном направлении. Движение в определенном направлении как раз происходит под действием внешнего электрического поля. Когда к проводнику приложено внешнее электрическое поле, на заряды действует дополнительная кулоновская сила. В результате этого положительный заряд, притягиваясь к отрицательному полюсу и отталкиваясь от положительного, приобретает составляющую скорости вдоль напряженности электрического поля, или направленную скорость. Аналогично движется и отрицательный заряд, только составляющая его скорости направлена противоположно направлению электрического поля.

Также электрическому току приписывают определенное направление. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Поэтому, если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц. Такой выбор направления тока не очень удачен, так как в большинстве случаев ток представляет собой движение электронов – отрицательно заряженных частиц. Выбор направления тока был сделан в то время, когда о свободных электронах в металлах еще ничего не было известно.

Действия тока: Движение заряженных частиц в проводнике нельзя увидеть. О наличии электрического тока обычно судят по тем явлениям, которые он вызывает. Такие явления называются действиями электрического тока

Химическое: электрический ток может изменять химический состав проводника. Например, при прохождении тока через раствор медного купороса из раствора выделяется медь, а при прохождении тока через подкисленную воду она разлагается на водород и кислород.

Магнитное: Датский физик Х. Эрстед впервые обнаружил магнитное действие тока. Он наблюдал, как расположенная вдоль проводника с током магнитная стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику. Если изолированную проволоку намотать на железный гвоздь, то он становится магнитом и притягивает железные опилки. Магнитное действие тока лежит в основе работы электродвигателей, генераторов, трансформаторов и прочих приборов.

В отличие от теплового и химического действий тока магнитное действие является основным, так как оно сопровождает ток всегда без всяких исключений.

Химическое действие тока имеет место лишь при прохождении тока через растворы или расплавы электролитов, а нагревание током отсутствует при прохождении его через сверхпроводники.

Количественные характеристики электрического тока: количественно электрический ток характеризуется векторной величиной – плотностью электрического тока – j и скалярной величиной – силой тока I.

Вектором плотности тока j называют вектор, направление которого совпадает с направлением скорости упорядоченного движения положительно заряженных частиц, а модуль равен отношению заряда, переносимого за время ∆t через сечение площадью ∆S, расположенное перпендикулярно к скорости движения, к произведению ∆S×∆t:

j = q₀∙n∙v или j = ρ∙v, где q₀ – заряд отдельной частицы, n – концентрация заряженных частиц в среде, v – скорость упорядоченного движения частиц, ρ = q₀∙n – пространственная плотность электрического заряда.

В случае движения отрицательно заряженных частиц (q₀< 0) векторы j и v направлены противоположно друг другу. Если среда однородна, то модуль плотности тока численно равен электрическому заряду, переносимому в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную скорости v.

Сила тока: вектор плотности тока определяет переносимый заряд через малую площадку в проводящей среде и направление движения заряженных частиц. Сила тока – это полная для всего сечения характеристика тока.

Силой тока называют отношение заряда ∆q, переносимого через поперечное сечение проводника площадью S за промежуток времени ∆t, к этому промежутку: I = .Эта формула выражает среднее за время ∆t значение силы тока.

Сила тока в данный момент – мгновенная сила тока – представляет собой предел отношения электрического заряда ∆q, прошедшего через поперечное сечение проводника за малый промежуток времени ∆t, к этому промежутку при ∆t, стремящемуся к нулю: I _мгн =

Если за любые равные между собой промежутки времени через поперечное сечение проводника проходят одинаковые заряды, то есть если сила тока не изменяется с течением времени, то электрический ток называют постоянным.

Сила постоянного тока численно равна заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за 1 с: I =

Сила тока, подобно заряду, может быть как положительной, так и отрицательной. Знак силы тока зависит от того, какое из направлений вдоль проводника принято за положительное. Сила тока I > 0, если направление тока совпадает с условно выбранным положительным направлением вдоль проводника. В противном случае I < 0.

Сила тока однозначно выражается через плотность тока. В частном случае при равномерном распределении плотности тока по сечению проводника сила тока: I = j_n∙S, где j_n = j∙cosα – проекция вектора плотности тока на нормаль n к плоскости сечения проводника, а S - площадь этого сечения (рис 2.6). Направление нормали совпадает с условно выбранным направлением обхода. Знак силы тока определяется знаком косинуса угла α между направлением вектора плотности тока j и направлением нормали n. Если направления векторов j и n совпадают, то α = 0 и сила тока: I = j∙S = |q₀|∙n∙v∙S – выражается положительным числом.

В международной системе единиц СИ сила тока является основной единицей и называется ампер – А: 1А = 1 Кл/с

Задачи:

1. Какой заряд пройдет через поперечное сечение проводника за 1 мин, если сила тока в проводнике 2А? [120 Кл]

2. Сколько электронов проходит через спираль лампы накаливания за 1 с при силе тока в лампе 1,6 А? [10¹⁹]

3. По проводнику в течение года протекает ток силой 1 А. Найдите массу электронов, прошедших за этот промежуток времени сквозь поперечное сечение проводника. Отношение заряда электрона к его массе (e/m_e) = 1,76·10¹¹ Кл/кг. [0,18 г]

4. В проводнике, площадь поперечного сечения которого 1 мм², сила тока 1,6 А. Концентрация электронов в проводнике 10²³ м^-3 при температуре 20 °С. Найдите среднюю скорость направленного движения электронов и сравните е с тепловой скоростью электронов. [1 мм/с, 124 км/с]