Движение каких частиц создает электрический ток в металлах?

4 ответов на вопрос “Движение каких частиц создает электрический ток в металлах?”

  1. Gumi Ответить

    Электрический ток – направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.
    Заряженными частицами могут являться электроны или ионы (заряженные атомы).
    Атом, потерявший один или несколько электронов, приобретает положительный заряд. – Анион (положительный ион).
    Атом, присоединивший один или несколько электронов, приобретает отрицательный заряд. – Катион (отрицательный ион).
    Ионы в качестве подвижных заряженных частиц рассматриваются в жидкостях и газах.
    В металлах носителями заряда являются свободные электроны, как отрицательно заряженные частицы.
    В полупроводниках рассматривают движение (перемещение) отрицательно заряженных электронов от одного атома к другому и, как результат, перемещение между атомами образовавшихся положительно заряженных вакантных мест – дырок.
    За направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов. Это правило было установлено задолго до изучения электрона и сохраняется до сих пор. Так же и напряжённость электрического поля определена для положительного пробного заряда.
    На любой единичный заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = qE, которая перемещает заряд в направлении вектора этой силы.

    На рисунке показано, что вектор силы F— = -qE, действующей на отрицательный заряд -q, направлен в сторону противоположную вектору напряжённости поля, как произведение вектора E на отрицательную величину. Следовательно, отрицательно заряженные электроны, которые являются носителями зарядов в металлических проводниках, в реальности имеют направление движения, противоположное вектору напряжённости поля и общепринятому направлению электрического тока.

    Количество заряда Q = 1 Кулон, перемещённое через поперечное сечение проводника за время t = 1 секунда, определится величиной тока I = 1 Ампер из соотношения:
    I = Q/t.
    Отношение величины тока I = 1 Aмпер в проводнике к площади его поперечного сечения S = 1 m 2 определит плотность тока j = 1 A/m2:
    j = I/S
    Работа A = 1 Джоуль, затраченная на транспортировку заряда Q = 1 Кулон из точки 1 в точку 2 определит значение электрического напряжения U = 1 Вольт, как разность потенциалов φ1 и φ2 между этими точками из расчёта:
    U = A/Q = φ1 – φ2
    Электрический ток может быть постоянным или переменным.
    Постоянный ток – электрический ток, направление и величина которого не меняются во времени.
    Переменный ток — электрический ток, величина и направление которого меняются с течением времени.
    Ещё в 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный закон электричества, определяющий количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими их способность противостоять электрическому току.
    Эти свойства впоследствии стали называть электрическим сопротивлением, обозначать буквой R и измерять в Омах в честь первооткрывателя.
    Закон Ома в современной интерпретации классическим соотношением U/R определяет величину электрического тока в проводнике исходя из напряжения U на концах этого проводника и его сопротивления R:
    I = U/R

    Электрический ток в проводниках

    В проводниках имеются свободные носители зарядов, которые под действием силы электрического поля приходят в движение и создают электрический ток.
    В металлических проводниках носителями зарядов являются свободные электроны.
    С повышением температуры хаотичное тепловое движение атомов препятствует направленному движению электронов и сопротивление проводника увеличивается.
    При охлаждении и стремлении температуры к абсолютному нулю, когда прекращается тепловое движение, сопротивление металла стремится к нулю.
    Электрический ток в жидкостях (электролитах) существует как направленное движение заряженных атомов (ионов), которые образуются в процессе электролитической диссоциации.
    Ионы перемещаются в сторону электродов, противоположных им по знаку и нейтрализуются, оседая на них. – Электролиз.
    Анионы – положительные ионы. Перемещаются к отрицательному электроду – катоду.
    Катионы – отрицательные ионы. Перемещаются к положительному электроду – аноду.
    Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.
    При нагревании сопротивление электролита уменьшается из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы.
    Электрический ток в газах – плазма. Электрический заряд переносится положительными или отрицательными ионами и свободными электронами, которые образуются под действием излучения.
    Существует электрический ток в вакууме, как поток электронов от катода к аноду. Используется в электронно-лучевых приборах – лампах.

    Электрический ток в полупроводниках

    Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по своему удельному сопротивлению.
    Знаковым отличием полупроводников от металлов можно считать зависимость их удельного сопротивления от температуры.
    С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается, а у полупроводников, наоборот, возрастает.
    При стремлении температуры к абсолютному нулю металлы стремятся стать сверхпроводниками, а полупроводники – изоляторами.
    Дело в том, что при абсолютном нуле электроны в полупроводниках будут заняты созданием ковалентной связи между атомами кристаллической решётки и, в идеале, свободные электроны будут отсутствовать.
    При повышении температуры, часть валентных электронов может получать энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей и в кристалле появятся свободные электроны, а в местах разрыва образуются вакансии, которые получили название дырок.
    Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары и дырка переместится на новое место в кристалле.
    При встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами полупроводника и происходит обратный процесс – рекомбинация.
    Электронно-дырочные пары могут появляться и рекомбинировать при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.
    В отсутствие электрического поля электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
    В электрическое поле в упорядоченном движении участвуют не только образовавшиеся свободные электроны, но и дырки, которые рассматриваются как положительно заряженные частицы. Ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов.

    К числу полупроводников относятся такие химические элементы, как германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.
    Самым распространенным в природе полупроводником является кремний.

  2. Becelyu C NeBa Ответить

    Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основе гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории. Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла (рис. 4.12.2).

    Рисунок 4.12.2.
    Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов.
    Из-за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так называемый потенциальный барьер. Высота этого барьера называется работой выхода. При обычных (комнатных) температурах у электронов не хватает энергии для преодоления потенциального барьера.
    Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в тепловом движении. Ионы совершают тепловые колебания вблизи положений равновесия – узлов кристаллической решетки. Свободные электроны движутся хаотично и при своем движении сталкиваются с ионами решетки. В результате таких столкновений устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это позволяет оценить среднюю скорость теплового движения электронов по формулам молекулярно-кинетической теории. При комнатной температуре она оказывается примерно равной 105 м/с.
    При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток. Среднюю скорость дрейфа можно оценить из следующих соображений. За интервал времени ?t через поперечное сечение S проводника пройдут все электроны, находившиеся в объеме
    Число таких электронов равно где n – средняя концентрация свободных электронов, примерно равная числу атомов в единице объема металлического проводника. Через сечение проводника за время ?t пройдет заряд Отсюда следует:

    или

    Концентрация n атомов в металлах находится в пределах 1028–1029 м–3.
    Оценка по этой формуле для металлического проводника сечением 1 мм2, по которому течет ток 10 А, дает для средней скорости упорядоченного движения электронов значение в пределах 0,6–6 мм/c. Таким образом, средняя скорость упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше средней скорости их теплового движения Рис. 4.12.3 дает представление о характере движения свободного электрона в кристаллической решетке.

    Рисунок 4.12.3.
    Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа сильно преувеличены.
    Малая скорость дрейфа на противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического поля со скоростью c = 3·108 м/с. Через время порядка l / с (l – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля и в ней начинается упорядоченное движение электронов.
    В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом поле энергию и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.
    Несмотря на то, что все эти допущения являются весьма приближенными, классическая электронная теория качественно объясняет законы электрического тока в металлических проводниках.
    Закон Ома. В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равная по модулю eE, в результате чего он приобретает ускорение Поэтому к концу свободного пробега дрейфовая скорость электрона равна

    где ? – время свободного пробега, которое для упрощения расчетов предполагается одинаковым для всех электронов. Среднее значение скорости дрейфа равно половине максимального значения:

    Рассмотрим проводник длины l и сечением S с концентрацией электронов n. Ток в проводнике может быть записан в виде:

    где U = El – напряжение на концах проводника. Полученная формула выражает закон Ома для металлического проводника. Электрическое сопротивление проводника равно:

    а удельное сопротивление ? и удельная проводимость ? выражаются соотношениями:

    Закон Джоуля–Ленца. К концу свободного пробега электроны приобретают под действием поля кинетическую энергию

    Согласно сделанным предположениям, вся эта энергия передается решетке при соударении и переходит в тепло.
    За время ?t каждый электрон испытывает ?t / ? соударений. В проводнике сечением S и длины l имеется nSl электронов. Отсюда следует, что выделяемое в проводнике за время ?t тепло равно:

    Это соотношение выражает закон Джоуля–Ленца.
    Таким образом, классическая электронная теория объясняет существование электрического сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля–Ленца. Однако в ряде вопросов классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом.
    Эта теория не может, например, объяснить, почему молярная теплоемкость металлов, также как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3R, где R – универсальная газовая постоянная (закон Дюлонга и Пти). Наличие свободных электронов на сказывается на величине теплоемкости металлов.
    Классическая электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов. Теория дает в то время как из эксперимента получается зависимость ? ~ T. Однако наиболее ярким примером расхождения теории и опытов является сверхпроводимость.
    Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. При более низких температурах порядка нескольких кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. Однако наибольший интерес представляет удивительное явление сверхпроводимости, открытое датским физиком Х. Каммерлинг-Оннесом в 1911 году. При некоторой определенной температуре Tкр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис. 4.12.4). Критическая температура у ртути равна 4,1 К, у аллюминия 1,2 К, у олова 3,7 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у элементов, но и у многих химических соединений и сплавов. Например, соединение ниобия с оловом (Ni3Sn) имеет критическую температуру 18 К. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах. В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.

    Рисунок 4.12.4.
    Зависимость удельного сопротивления ? от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник.
    Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают исключительными свойствами. Практически наиболее важным их них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи.
    Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений.
    Научный интерес к сверхпроводимости возрастал по мере открытия новых материалов с более высокими критическими температурами. Значительный шаг в этом направлении произошел в 1986 году, когда было обнаружено, что у одного сложного керамического соединения Tкр = 35 K. Уже в следующем 1987 году физики сумели создать новую керамику с критической температурой 98 К, превышающей температуру жидкого азота (77 К). Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота, было названо высокотемпературной сверхпроводимостью. В 1988 году было создано керамическое соединение на основе элементов Tl–Ca–Ba–Cu–O с критической температурой 125 К.
    В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями Tкр. Ученые надеятся получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если это произойдет, это будет настоящей революцией в науке, технике и вообще в жизни людей.
    Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.

  3. Nalmerdana Ответить

    Вариант 1
    ТС-6.Сила тока. Напряжение. Сопротивление. Закон Ома для участка цепи
    Электрическим током называется…
    A). движение электронов. Б). упорядоченное движение заряженных частиц. B). упорядоченное движение электронов.
    Чтобы создать электрический ток в проводнике, надо…
    A). создать в нем электрическое поле. Б). создать в нем электрические заряды.
    B). разделить в нем электрические заряды.
    Какие частицы создают электрический ток в металлах?
    A). Свободные электроны. Б). Положительные ионы. B). Отрицательные ионы.
    4. Какое действие тока используется в гальванометрах? А. Тепловое. Б. Химическое. В. Магнитное.
    5. Сила тока в цепи электрической плитки равна 1,4 А. Ка­кой электрический заряд проходит через поперечное сечение ее спирали за 20 мин?A). 3200 Кл. Б). 1680 Кл. B). 500 Кл.
    6. На какой схеме (рис. 1) амперметр включен в цепь пра­вильно?А). 1. Б). 2. В). 3.
    7. При прохождении по проводнику электрического заряда, равного 6 Кл, совершается работа 660 Дж. Чему равно напря­жение на концах этого проводника?
    А). 110 В. Б). 220 В. В). 330В.
    8. На какой схеме (рис. 2) вольтметр включен в цепь пра­вильно? А). 1. Б). 2.
    9. Два мотка медной проволоки одинакового сечения имеют соот­ветственно длину 50 и 150 м. Ка­кой из них обладает большим со­противлением и во сколько раз?
    А). Первый в 3 раза. Б). Второй в 3 раза.
    10. Какова сила тока, проходящего по никелиновой проволоке длиной 25 см и сечением 0,1 мм2, если напряжение на ее кон­цах равно 6 В?А). 2 А. Б). 10 А. В). 6 А.

  4. Only you Ответить

    Электрический ток в металлах
    – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля    .
    Наиболее убедительное доказательство электронной
    природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов (опыт Толмена и Стьюарта):

    Рис. 9.1
    Катушка
    с большим числом витков тонкой проволоки (рис. 9.1) приводилась в быстрое
    вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены
    к чувствительному баллистическому гальванометру.Раскрученная
    катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный
    инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся гальванометром.
    При торможении вращающейся катушки на каждый носитель
    заряда e массой m действует тормозящая сила, которая играет роль сторонней силы, то есть силы неэлектрического происхождения:

    Сторонняя сила, отнесенная к единице заряда, по
    определению является напряженностью  поля сторонних сил:

    Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая сила:

    За время торможения катушки
    по цепи протечет заряд q, равный:

    где –
    длина проволоки катушки, I – мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи,  – начальная линейная
    скорость проволоки.
    Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией
    свободных электронов    , равной по порядку величины числу атомов в единице объема.
    Предположение
    о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло
    значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году
    немецкий ученый П. Друде на основе гипотезы о существовании свободных
    электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта
    теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит
    название классической электронной теории. Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя
    как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ.
    Электронный
    газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку
    металла. Из-за взаимодействия с ионами электроны могут
    покинуть металл, лишь преодолев так называемый потенциальный барьер.
    Высота этого барьера называется работой выхода.
    При обычных (комнатных)
    температурах у электронов не хватает энергии для преодоления потенциального
    барьера. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней
    энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это позволяет
    оценить среднюю скорость теплового движения электронов по формулам
    молекулярно-кинетической теории:  
    При наложении внешнего
    электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения
    электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический
    ток. Величина дрейфовой скорости электронов лежит в пределах 0,6 – 6 мм/c. Таким образом, средняя скорость
    упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много
    порядков меньше средней скорости их теплового движения.
    Малая скорость дрейфа не
    противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается
    практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического
    поля со скоростью  c = 3·108 м/с. Через время  (l – длина
    цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля
    и в ней начинается упорядоченное движение электронов.
    В
    классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов
    подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории
    пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с
    положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что
    при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом
    поле энергию и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой
    дрейфовой скоростью.
    Несмотря на то, что все эти
    допущения являются весьма приближенными, классическая электронная теория
    качественно объясняет законы электрического тока в металлических проводниках: закон Ома, закон Джоуля – Ленца и
    объясняет существование электрического сопротивления металлов.
    Закон Ома:

    Электрическое сопротивление проводника:

    Закон Джоуля–Ленца:

    Однако
    в ряде вопросов классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся
    в противоречии с опытом. Эта теория не может, например,
    объяснить, почему молярная теплоемкость металлов, также как и молярная  теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна
    3R  (закон Дюлонга и Пти). Классическая
    электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного
    сопротивления металлов: теория дает , в то время как из эксперимента
    получается зависимость  ? ~ T.
    Наиболее ярким примером
    расхождения теории и опытов является сверхпроводимость.
    Зонная модель
    электронной проводимости металлов
    Качественное различие между металлами и
    полупроводниками (диэлектриками) состоит в характере зависимости удельной
    проводимости от температуры. У металлов с ростом температуры проводимость падает,
    а у полупроводников и диэлектриков растет.  При Т ® 0 К у чистых металлов проводимость  s ® ¥.  У полупроводников и диэлектриков
    при Т ® 0 К,  s ® 0. Качественного различия
    между полупроводниками и диэлектриками в отношении электропроводности, нет.
    Проявление у одних веществ металлических свойств, а
    у других полупроводниковых и диэлектрических может быть последовательно
    объяснено только в рамках квантовой теории.
    Согласно квантовым представлениям, энергия
    электронов в атоме может изменяться дискретным образом.     Причем, согласно принципу
    Паули, в одном квантовом состоянии может находиться не более одного электрона. В
    результате электроны не собираются на каком-то одном энергетическом уровне, а
    последовательно заполняют разрешенные энергетические уровни в атоме, формируя
    его электронные оболочки.
    При сближении большого числа
    атомов и образовании кристаллической структуры химические связи между атомами
    образуются за счет электронов, находящихся во внешних, валентных, электронных
    оболочках.
    Согласно принципу Паули, атомы не могут сбиться в
    плотную массу, поскольку в этом случае в одном квантовом состоянии оказалось бы
    много частиц с полуцелым спином – собственным моментом количества движения  (L = h/2).  Такие частицы называются фермионами, и
    к ним, в частности, относятся электроны, протоны, нейтроны. Названы они
    так в честь итальянского физика Э. Ферми, впервые описавшего особенности
    поведения коллективов таких частиц. При сближении большого числа атомов в пределах твердого тела происходит
    расщепление исходного энергетического уровня валентного электрона в атоме на  N подуровней, где N – число атомов, образующих
    кристалл. В результате образуется зона разрешенных энергетических уровней для
    электронов в твердом теле (рис.9.2).

    Рис.9.2
    В металлах внешние валентные
    оболочки заполнены не полностью, например, у атомов серебра во внешней оболочке
    5s1 находится один электрон, в то время как, согласно
    принципу Паули, могло бы находиться два электрона с различными ориентациями
    спинов, но второго электрона во внешней оболочке атома серебра просто нет. При
    сближении N атомов Ag и расщеплении внешнего
    энергетического уровня 5s11 на N подуровней каждый из них заполняется уже двумя электронами с различными
    ориентациями спинов. В результате при сближении N атомов серебра возникает
    энергетическая зона, наполовину заполненная электронами. Энергия,
    соответствующая последнему заполненному электронному уровню при 0 К, называется
    энергией Ферми eF≈kTg. Расстояние между соседними
    энергетическими уровнями DЕ очень мало, поскольку N очень велико, до .
    eF~ 1¸10 эВ,        ΔЕ = eF/N < < kT » 0,025 эВ.
    Расстояние между соседними
    разрешенными уровнями электронов в металлах много меньше энергии  теплового движения электронов даже при самых
    низких температурах. Если поместить проводник в электрическое
    поле, включив его, например, в замкнутую цепь с источником ЭДС, то электроны
    начнут перемещаться из точки проводника с меньшим потенциалом к точке с большим
    потенциалом, так как их заряд отрицателен. Но движение в электрическом поле
    означает увеличение энергии электрона, а по квантовым представлениям, переход
    на более высокий энергетический уровень у электрона возможен, если этот соседний
    уровень свободен. В металлах таких свободных уровней для электронов, находящихся
    вблизи уровня Ферми, вполне достаточно, поэтому металлы являются хорошими
    проводниками электрического тока.
    Однако эту проводимость
    обеспечивают не все свободные электроны металла, а лишь те из них, что
    расположены вблизи уровня Ферми. Концентрация таких электронов примерно равна  nT/Tg, где Tg = 5?104 К –
    температура вырождения.

    Понятие о плазме
    Электрический ток в полупроводниках

Добавить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *