Электрический ток в металлах

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 3

R  (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  ρ ~ 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 = ħ/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 e_F≈kT_g. Расстояние между соседними энергетическими уровнями DЕ очень мало, поскольку N очень велико, до .

e_F~ 1¸10 эВ,        ΔЕ = e_F/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/T_g, где T_g = 5×10⁴ К – температура вырождения.

---

Электрический ток в металлах.

Металлы в твердом состоянии, как известно, имеют кристаллическое строение. Частицы в кристаллах расположены в определенном порядке, образуя пространственную (кристаллическую) решетку. В узлах кристаллической решетки металла расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся свободные электроны. Свободные электроны не связаны с ядрами своих атомов (рис. 52).

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решетки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален. Свободные электроны в нем движутся беспорядочно. Но если в металле создать электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно под действием электрических сил. Возникнет электрический ток. Беспорядочное движение электронов при этом сохраняется, подобно тому как сохраняется беспорядочное движение в стайке мошкары, когда под действием ветра она перемещается в одном направлении.

Итак, электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.

Доказательством того, что ток в металлах обусловлен электронами, явились опыты физиков нашей страны Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси а также американских физиков Бальфура Стюарта и Роберта Толмена.

Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля невелика — несколько миллиметров в секунду, а иногда и еще меньше. Но как только в проводнике возникает электрическое поле, оно с огромной скоростью, близкой к скорости света в вакууме (300 000 км/с), распространяется по всей длине проводника.

Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. Так, например, при замыкании цепи электрической лампы в упорядоченное движение приходят и электроны, имеющиеся в спирали лампы.

Понять это поможет сравнение электрического тока с течением воды в водопроводе, а распространения электрического поля — с распространением давления воды. При подъеме воды в водонапорную башню давление (напор) воды очень быстро распространяется по всей водопроводной системе. Когда мы открываем кран, то вода уже находится под давлением и сразу начинает течь. Но из крана течет та вода, которая была в нем, а вода из башни дойдет до крана много позднее, так как движение воды происходит с меньшей скоростью, чем распространение давления.

Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.

Электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s = 8000 км), приходит туда примерно через 0,03 с.

Силы тока. Единицы силы тока.

Действия электрического тока могут проявляться В разной степени — сильнее или слабее. Опыты показывают, что интенсивность (степень действия) электрического тока зависит от заряда, про ходящего по цепи в 1 с.

:Когда свободная заряженная частица электрон в металле или ион в растворе кислот, солей или щелочей — движется по электрической цепи, то вместе с ней происходит и перемещение заряда. Чем больше частиц переместится от одного полюса источника тока к другому или просто от одного конца участка цепи к другому, тем больше общий заряд q, перенесенный частицами.

Электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в 1 с, определяет силу тока в цепи.

Значит, сила тока равна отношению электрического заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения t, т. е.

I=, где 1 — сила тока.

На Международной конференции по мерам и весам в 1948 г. было решено в основу определения единицы силы тока положить явление взаимодействия двух проводников С током. Ознакомимся сначала с этим явлением на опыте.

На рисунке 59 изображены два гибких прямых проводника, расположенных параллельно друг другу. Оба проводника под соединены к источнику тока. При замыкании цепи по проводникам протекает ток, вследствие чего они взаимодействуют — притягиваются или отталкиваются, в зависимости от направления токов в них.

Силу взаимодействия проводников с током можно измерить. Эта сила, как показывают расчеты и опыты, зависит от длины проводников, расстояния между ними, среды, в которой находятся проводники, и, что самое важное для нас, от силы тока в проводниках. Если одинаковы все условия, кроме силы токов, то, чем больше сила тока в каждом проводнике, тем с большей силой они взаимодействуют между собой.

Представим теперь себе, что взяты очень тонкие и очень длинные параллельные проводники. Расстояние между ними 1 м, и находятся они в вакууме. Сила тока в них одинакова.

За единицу силы тока принимают силу тока, при которой отрезки таких параллельных проводников длиной 1 м взаимодействуют с силой 2· 10ˉ⁷ Н (0,0000002 Н).

Эту единицу силы тока называют ампером (А). Так она названа в честь французского ученого Андре Ампера.

Применяют также дольные и кратные единицы силы тока: миллиампер (мА), микроампер (мкА), килоампер (кА).

1 мА = 0,001 А;

1 мкА = 0,000001 А;

1 кА = 1000А.

Чтобы представить себе, что такое ампер, при ведем примеры: сила тока в спирали лампы карманного фонаря 0,25 А = 250 мА. В осветительных лампах, используемых в наших квартирах, сила тока составляет от 7 до 400 мА (в зависимости от мощности лампы).

Через единицу силы тока — 1 А определяется единица электрического заряда — 1 Кл.

Так как I= то q = It. Полагая 1 = 1 А, t = 1 с, получим единицу электрического заряда — 1 Кл.

За единицу электрического заряда принимают электрический заряд, проходящий сквозь поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с.

Из формулы q = It следует, что электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника, зависит от силы тока и времени его прохождения. Например, в осветительной лампе, в которой сила тока равна 400 мА, сквозь поперечное сечение спирали за 1 мин проходит электрический заряд, равный 24 Кл.

Электрический заряд имеет также другое название — количество электричества.

Электрический ток в металлах. Видеоурок. Физика 10 Класс

Как уже отмечалось в прошлой главе, металлы являются самой распространенной средой, проводящей электрический ток. И носителями зарядов являются свободные электроны. В связи с этим существует особая терминология, в соответствии с которой проводимость металлов называется электронной проводимостью, а сами электроны металла – электронами проводимости.

Этот факт ни в коей мере не постулировался, а был проверен и доказан независимо многими учеными разными методами. Например, немецкий физик Карл Рикке проводил опыт по пропусканию тока в 0,1 А в течении года через три отполированных цилиндра: одного алюминиевого и двух медных. По истечению эксперимента (а за это время по цепи прошел огромный заряд в ) никаких изменений в структуре цилиндров не произошло, за исключением небольшой диффузии (рис. 1). А если бы носителями заряда были не электроны, а ионы, то тогда был бы перенос вещества одного цилиндра в вещество другого, и, конечно же, в результате столь длительного эксперимента, химическое строение цилиндров изменилось бы.

Рис. 1. Схема опыта Рикке

Еще одним опытом по подтверждению электронной проводимости металлов стал опыт 1912 года российских ученых Мангельштама и Папалекси, спустя небольшое время проведенный также англичанами Стюартом и Толменом. В ходе этого опыта катушка с большим количеством витков быстро вращалась, а затем резко тормозилась. В результате чего замкнутый вместе с ней в цепь гальванометр показывал наличие небольшого тока (рис. 2). 

           

Рис. 2. Схема опыта Мангельштама-Папалекси

Дело в том, что вместе с раскручиваемой катушкой вращаются, конечно же, и находящиеся в металле электроны. Когда же катушка тормозится, электроны некоторое время продолжают двигаться внутри катушки по инерции, производя таким образом ток.

 

---

Сверхпроводимость

Определение. Сверхпроводимость – явление, когда сопротивление проводника становится близким к нулю.

Открытию явления сверхпроводимости предшествовало получение в 1908 году голландцем Камерлингом Оннесом (рис. 4) жидкого гелия. Помещая образец проводника в жидкий гелий, стало возможным наблюдать поведение проводников при сверхнизких температурах (близко к 0 ). И в 1911 году Оннес установил, что ртуть при температуре около 4 К резко приобретает сопротивление, равное нулю.

Рис. 4. Камерлинг Оннес (Источник)

Его опытам с ртутью предшествовали опыты с платиной, в результате которых он установил, что чем чище вещество (чем меньше в нем примесей), тем быстрее уменьшается его сопротивление с уменьшением температуры. Благодаря жидкому состоянию ртути при нормальных условиях, этот металл очень легко было очистить от примесей. И была установлена следующая зависимость удельного сопротивления ртути от низких температур: линейное снижение прерывается скачком к нулю (рис. 5):

Рис. 5.

Явление сверхпроводимости объясняется с точки зрения квантовой физики.

Чтобы оценить, как много в металле тех самых электронов проводимости, нужно понимать, что каждый атом металла обеспечивает как минимум один свободный электрон. В среднем, концентрация электронов проводимости составляет:

И в качестве модели поведения свободных электронов можно принять модель газа. Каждый электрон электронного газа ведет себя, как отдельно взятая молекула газа. При появлении внешнего электрического поля на хаотическое движение электронов накладывается упорядоченное движение. Именно это движение и обуславливает электрический ток.

Самое распространенное действие тока – это тепловое действие. Как уже было отмечено в прошлой главе, механизмом этого действия является столкновение электронов с узлами кристаллической решетки, в результате чего кинетическая энергия электронов переходит во внутреннюю энергию проводника.

В свою очередь, имея повышенную внутреннюю энергию, узлы решетки начинают колебаться быстрее, чаще сталкиваясь с электронами. То есть электроны тормозятся более эффективно. Иными словами при увеличении температуры проводника увеличивается его электрическое сопротивление.

Простым опытом, подтверждающим этот теоретический вывод, может служить нагревание проводника в цепи со включенной лампой и измерительными приборами (см. рис. 3).

Рис. 3.

По мере прогревания проводника как лампа начнет светить менее ярко, так и приборы станут показывать падение силы тока.

После качественного подтверждения зависимости сопротивления от температуры была получена количественная зависимость. После ряда экспериментов было выяснено, что относительное приращение сопротивления прямо пропорционально абсолютному приращению температуры:

Или же:

Здесь:   – сопротивление при заданной температуре,  – сопротивление при температуре ;  – изменение температуры относительно  ;  – температурный коэффициент сопротивления. Температурный коэффициент – табличная величина, известная для большинства металлов. Размерность коэффициента:

Так как при изменении температуры линейные размеры проводников меняются незначительно, значит, меняется удельное сопротивление, причем по такому же закону:

 

---

Применение сверхпроводимости

Применение сверхпроводимости чрезвычайно облегчает многие технические аспекты использования электрического тока. Во-первых, отсутствие сопротивления означает отсутствие каких-либо потерь на нагревание, которые, как правило, составляют  15% всей энергии. Как подтверждение можно привести опыт по двухгодичному пропусканию тока через проводник, погруженный в жидкий гелий, который прервался только из-за нехватки гелия. Отсутствие нагревания и потерь энергии на него чрезвычайно важно для электродвигателей и электронной вычислительной техники.

Кроме того в сверхпроводниках протекают из-за отсутствия сопротивления чрезвычайно высокие токи, создающие сильные магнитные поля, что может применяться при термоядерном синтезе.

Бытовой пример использования сверхпроводников – это существующая на сегодняшний момент железнодорожная сеть с поездами на магнитной подушке (рис. 6):

Рис. 6. Поезд на магнитной подушке

---

Высокотемпературные сверхпроводники

После открытия сверхпроводимости Оннес, пытаясь создать сверхпроводящий электромагнит, обнаружил, что изменение тока, или же магнитные поля, разрушают эффект сверхпроводимости. Только к середине двадцатого века удалось создать сверхпроводящие электромагниты.

Также чрезвычайно важное открытие было сделано в 1986 году. Были обнаружены материалы, обладающие сверхпроводимостью при температурах около . Такие температуры возможно получать, используя жидкий азот, который значительно дешевле жидкого гелия. Однако при попытке создания таких сверхпроводящих проводов и кабелей столкнулись с проблемой чрезвычайной хрупкости таких материалов, которые рассыпаются в процессе прокатки. На данный момент продолжаются работы по решению этой проблемы.

На следующем уроке мы рассмотрим электрический ток в полупроводниках.

---

 

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.
3. Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. – М.: 2010.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Storage.mstuca.ru (Источник).
2. Physics.ru (Источник).
3. Элементы (Источник).

 

Домашнее задание

1. Как зависит сопротивление металлов от температуры? Чем обусловлена такая зависимость?
2. Во сколько раз увеличится сопротивление медного провода при повышении температуры от 200 до 300?
3. На подключенную в сеть спираль электроплитки попала вода. Как изменилось накаливание плитки?
4. *Все ли металлы становятся сверхпроводниками при охлаждении до достаточно низких температур?

Электрический ток в металлах | ряд напряжений, что собой представляет, таблица

Любой металл, так или иначе, является проводником – это известно из школьного курса физики. Но какие процессы протекают внутри проводника, и чем обусловлено поведение электрического тока в металлах, — именно это мы и рассмотрим в этой статье.

Что такое проводимость

Основой любого твердого химического элемента является кристаллическая решетка, состоящая из атомов вещества, вокруг которых вращаются связанные электроны. И, если решетка стабильна, то возникает вопрос: какие частицы создают электрический ток в металлах, а точнее – участвуют в его переносе? Помимо атомов вещества со связанными заряженными частичками, межатомное пространство заполнено и свободными электронами. Именно эти заряженные частицы, при воздействии на них электрического поля, начинают двигаться определенным образом, и обеспечивают тем самым, протекание тока.

Важно, что суммарный заряд всех свободных электронов равен суммарному заряду ионов, которые находятся в узлах решетки, но отличен по знаку (ионы – положительно заряжены, а электроны – отрицательно) – именно поэтому структура и стабильна. Если бы не было этих самых свободных заряженных частиц, то кулоновские силы разорвали бы кристаллическую решетку. Однако электроны уравновешивают действие этих сил, и вся «конструкция» остается в покое.

Чем больше таких свободных частиц присутствуют между атомами, тем сильнее проводимость материала. К примеру, медь проводит ток лучше железа именно из-за того, что в межатомном пространстве меди находится очень много свободных зарядов, способных проводить ток.

Электрический ток движется по проводам со скоростью, приближенной к скорости света, хотя сами свободные заряженные частицы двигаются значительно медленнее, и не покидают пределы проводника. Это означает, что ток в металлических проводниках создается электронами, которые принимают участие в переносе заряда, но не «расходуются» при этом процессе.  Таким образом, получается, что электрический ток в металлах представляет собой лишь упорядоченное движение заряженных частиц под действием поля, и не может накапливаться в проводнике.

Сопротивление проводника

Абсолютно любой элемент, каким бы проводимым он ни был, обладает сопротивлением. При воздействии электрического поля на свободные заряженные частицы, они начинают двигаться, условно говоря, от плюса к минусу. В процессе движения, электроны рассеиваются на так называемых неоднородностях решетки: дефектах, примесях и нарушениях строения. Это вызывает нагрев проводника, и характеризуется таким понятием, как сопротивление металлов.

Чем больше электронов теряется по пути от начала проводника до его конца, тем выше сопротивление данного участка проводимости. Помимо физических характеристик самого материала (удельного сопротивления, являющегося справочной величиной), из которого изготовлен проводник, на сопротивление имеют влияние форма, а также площадь сечения проводника.

Если участок проводимости однороден по составу, то его сопротивление можно узнать, применив формулу: R = p*l/S, где p — удельное сопротивление материала,  l – длинна проводника, а S – площадь сечения.

Удельное сопротивление основных материалов, используемых в электротехнике, представлено ниже, в сводной таблице электрического сопротивления металлов:

Интересная особенность металлических проводников: при уменьшении температуры, сопротивление материала падает, а при достижении температур порядка нескольких Кельвинов – снижается практически до нуля. На этом эффекте основано явление сверхпроводимости.

Электрохимический ряд напряжений металлов

Помимо сопротивления, металлические проводники имеют такую характеристику как электрохимический потенциал. Если говорить просто, то это значение характеризует сравнительную активность вещества при протекании реакций окисления и восстановления в условиях водного раствора. Электрический ряд напряжений металлов был известен еще средневековым ученым-алхимикам, однако к современному виду его привел Алессандро Вольта в 1793 году. При конструировании своего гальванического столба, он установил соотношение активности известных ему металлов Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au, которое зависит от положения элемента в этом ряду. Чем дальше находятся элементы друг от друга по списку, тем выше будет степень их взаимодействия.

Уже в 1798 году Иоганн Риттер указал на схожесть ряда Вольта с рядом окисления металлов (уменьшение их активности взаимодействия с кислородом). По его гипотезе, в результате протекания химической реакции возникает электричество. А вот его качественные показатели как раз и зависят от того, какие металлы взаимодействуют. Таким образом, был сформирован ряд напряжений, который дополнялся вновь открываемыми химическими элементами:

На практике электрохимический ряд напряжений металлов используется при подборе катода и анода для наиболее эффективного восстановления металла из раствора, или же наоборот – наиболее активного взаимодействия для получения электроэнергии.

Для более подробного изучения вопроса, а также понимания того, как движется электрический ток в металлах, советуем вам посмотреть это видео:

Читайте также:

Электрический ток в различных средах

Конспект по физике для 8 класса «Электрический ток в различных средах». Что представляет собой электрический ток в металлах, электролитах и газах.

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике

---

Электрический ток в различных средах

Электрический ток может проходить через различные вещества: металлы, растворы и расплавы некоторых веществ и при определённых условиях через газы. Для возникновения электрического тока в какой-либо среде необходимо, чтобы в ней имелись заряженные частицы, которые будут перемещаться под действием электрического поля. Этими частицами могут быть как электроны, так и ионы.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение. Частицы в металлах располагаются в определённом порядке, образуя кристаллическую решётку. В узлах кристаллической решётки металла расположены положительные ионы, а в пространстве между ними хаотично движутся свободные электроны.

Если в металле создать электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться упорядоченно в направлении действия электрических сил. Возникнет электрический ток. Итак, электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.

Доказательство того, что ток в металлах создают именно свободные электроны, было получено в опытах, поставленных в 1913 г. российскими физиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси и в 1916 г. английскими физиками Р. Толменом и Т. Стюартом.

В основе этих опытов лежит предположение о том, что если металлический проводник привести в движение и резко затормозить, то свободные электроны должны по инерции продолжать движение относительно ионной решётки, подобно тому как отклоняются вперёд пассажиры при резком торможении автобуса. Следовательно, в проводнике должен возникнуть кратковременный электрический ток.

Для проведения подобного опыта на катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам. Диски соединяют с чувствительным прибором, называемым гальванометром, который позволяет судить о наличии тока. Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают. Стрелка гальванометра при торможении катушки отклоняется, что говорит о возникновении кратковременного тока. По направлению отклонения стрелки и устанавливается, что ток создаётся движением именно отрицательно заряженных частиц.

В медной проволоке на каждый атом меди приходится в среднем один свободный электрон. В куске проволоки массой m = 64 г находится примерно 6 • 10²³ свободных электронов.

Неправильно думать, что электроны в электрическом поле движутся прямолинейно. Траектория их движения является сложной из-за взаимодействия с другими частицами. Движение электронов в этом случае напоминает дрейф льдин во время ледохода, когда они, двигаясь беспорядочно и сталкиваясь друг с другом, дрейфуют по течению реки.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ

Растворы солей, кислот и щелочей также могут проводить электрический ток. Такие растворы называют растворами электролитов.

В сосуд с дистиллированной водой опустим два угольных электрода (стержня) и соединим их с источником тока, лампочкой и ключом. Между электродами возникает электрическое поле, но лампочка не горит. Это означает, что дистиллированная вода не проводит электрический ток. Но если растворить в воде какую-либо соль, например поваренную, то лампочка загорится. Это означает, что в растворе поваренной соли присутствуют свободные заряды, которые создают электрический ток. Что это за частицы?

При растворении в воде солей, кислот и щелочей нейтральные молекулы этих веществ распадаются на положительные и отрицательные ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией.

Например, молекулы поваренной соли распадаются на положительный ион натрия и отрицательный ион хлора. Пока электрическое поле отсутствует, ионы совершают беспорядочное тепловое движение. Но в электрическом поле ионы, подобно электронам в металлах, начинают двигаться. Положительные ионы натрия в электрическом поле будут двигаться к электроду, соединённому с отрицательным полюсом источника тока. Такой электрод называют катодом. А отрицательные ионы хлора будут двигаться к электроду, соединённому с положительным полюсом источника тока. Такой электрод называют анодом.

Электрический ток в растворах (или расплавах) электролитов представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

При протекании электрического тока через растворы или расплавы электролитов на электродах выделяется чистое вещество. Этот процесс называют электролизом. Электролиз широко используется в современной электрометаллургии — получении металлов путём электролиза. Например, весь алюминий в настоящее время получают электролитически. Хорошим примером также является электролитическое очищение (рафинирование) меди.

Посредством электролиза можно покрыть металлические предметы слоем другого металла. Этот процесс называется гальваностегией.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ

Укрепим две металлические пластины параллельно друг другу. Соединим одну со стержнем, а другую с корпусом электроскопа. Сообщим им разноимённые заряды.

Опыт показывает, что электроскоп не разряжается. Это означает, что воздух между пластинами не проводит электрический ток.

В обычных условиях газы являются хорошими изоляторами, так как они состоят из нейтральных атомов или молекул. В них нет свободных электрических зарядов, которые могут создавать электрический ток.

Если внести в пространство между пластинами пламя спички или спиртовки, то электроскоп быстро разрядится.

Этот опыт показывает, что под действием пламени газ может стать проводником электрического тока, потому что часть нейтральных атомов и молекул газа превращается в ионы. Электроны могут отрываться от атомов также под действием света.

---

---

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Электрический ток в различных средах».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Электрический ток в различных средах

5 (100%) 1 vote[s]

Просмотров: 780

Электрическая цепь. Электрический ток в металлах

На прошлом уроке мы с вами говорили об электрическом токе и источниках тока. Давайте с вами вспомним, что электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц.

Также мы узнали, что для создания и поддержания тока в цепи необходимы источники тока.

Но что же такое электрическая цепь? И если это цепь, то из каких звеньев она состоит?

Электрическая цепь — это совокупность устройств и элементов, предназначенных для протекания электрического тока.

Любая электрическая цепь содержит:

1)    источник тока, создающий необходимое напряжение;

2)    нагрузку, то есть то устройство, в котором нужно создать ток. Нагрузкой может быть нагреватель или лампа накаливания, электродвигатель или звонок, различные электробытовые приборы.

Звеньями же цепи являются соединительные провода и ключ, служащий для удобства и безопасности работы.

В качестве примера рассмотрим простейшую электрическую цепь. Она состоит из источника тока, ключа, который может замыкать и размыкать цепь, лампочки и соединительных проводов. Лампочка загорается только тогда, когда ключ замкнут.

Посмотрите ещё раз на рисунок электрической цепи. Если каждый раз её зарисовывать, то работа будет слишком долгой и трудоёмкой. Поэтому ввели условные обозначения для основных звеньев электрических цепей.

Чертежи, на которых в условных обозначениях изображены соединения электрических приборов, называют схемами.

На рисунке вы видите простейшую электрическую цепь и её схему. Сравните их.

Мы уже долгое время говорим об электрическом токе, но так и не выяснили, каково его направление в электрической цепи.

За направление электрического тока в цепи принято направление, в котором движутся (или могли бы двигаться) в проводнике положительные заряды, т. е. от положительного полюса источника к отрицательному.

Это соглашение было принято условно ещё в девятнадцатом веке, когда ещё не до конца понимали природу электрического тока и считали, что перемещаться могут только положительные заряды.

Конечно, после открытия электрона, который в большинстве случаев является носителем тока, стало понятно, что выбор был сделан неудачно, но старую договорённость менять не стали.

Мы уже знаем, что электрический ток может протекать через различные вещества: металлы, электролиты, и, при определённых условиях, через газы. Как уже говорилось, для возникновения электрического тока в любом веществе необходимо, чтобы там имелись носители зарядов, которые смогут перемещаться под действием электрического поля.

Так, например, в металлах носителями свободных зарядов являются электроны. Вы знаете, что все металлы в твёрдом состоянии обладают определённой кристаллической структурой. Поэтому всякий металл надо рассматривать как пространственную кристаллическую решётку, в узлах которой расположены положительные ионы. В пространстве же между ионами хаотично движутся свободные электроны, совокупность которых называют электронным газом.

Вследствие беспорядочного характера движения электронов переноса электрического заряда в каком-либо определённом направлении не получается. Но если внутри металла создать электрическое поле, то под влиянием его сил все свободные электроны придут в упорядоченное движение в направлении действия этих сил.

Однако неправильно думать, что электроны начнут двигаться прямолинейно. Траектория их движения также останется сложной, из-за взаимодействия с другими частицами. Движение электронов в этом случае напоминает дрейф льдин во время ледохода, когда они, двигаясь беспорядочно и сталкиваясь друг с другом, дрейфуют по течению реки.

А нельзя ли непосредственно на опыте проверить, что электрический ток в металле представляет собой поток электронов?

Конечно же можно. Идея одного такого опыта заключается в следующем. Если начать очень быстро вращать кусок металла, то увлечённый кристаллической решёткой электронный газ будет вместе с ним вращаться (на подобие жидкости во вращающемся сосуде). При внезапной остановке куска металла электронный газ должен некоторое время продолжать движение по инерции, подобно тому, как продолжает ещё вращаться жидкость в сосуде после его остановки. Задача заключалась в том, чтобы найти способ обнаружить это инерционное движение электронов.

И она была решена в1913 г. русскими физиками Леонидом Исааковичем Мандельштамом и Николаем Дмитриевичем Папалекси, а также в 1916 г. американскими учёными Ричардом Толменом и Томасом Стюартом. Опыт был проведён следующим образом. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы проволоки посредством гибких проводников соединялись с чувствительным прибором — гальванометром, который позволяет судить о наличии тока.

При резком торможении катушки в течение долей секунды гальванометр обнаруживал ток. Причём направление этого тока, а о нём судили по направлению отклонения стрелки гальванометра, показывало, что он вызван движением отрицательно заряженных частичек, то есть электронов.

Таким образом удалось доказать, что электрический ток в металлах представляет собой направленное движение электронов. Но скорость этого движения мала — всего то несколько миллиметров в секунду, что в сотни миллионов раз меньше, чем средняя скорость теплового движения электронов. Поэтому, например, за 2 ч упорядоченного движения, электрон пройдёт менее 5 м.

Хотя мы знаем, что как только мы повернём выключатель, лампа, находящаяся в нескольких метрах от него, моментально загорается. Поэтому помните: скорость распространения тока и скорость направленного движения электронов — это не одно и то же.

Когда говорят о скорости протекания тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения электрического поля внутри проводника, которое и приводит в направленное движение электроны. А оно распространяется со скоростью около 300 000 км/с, то есть со скоростью света.

Нечто аналогичное мы имеем в явлении движения газа в газопроводах. Например, когда в саратовском конце газопровода Москва — Саратов, наполненного газом, поднимается давление, то оно со скоростью звука в газе (а это около 500 м/с) распространяется по трубам и быстро передаётся в Москву.

Но газ, находящийся в данный момент под Саратовом, попадёт в Москву гораздо позже, так как скорость его движения по трубам значительно меньше скорости передачи давления.

Электрические токи в различных средах

В этом разделе мы попытаемся установить, какие частицы, переносят электрический заряд в различных средах.

Электрический ток в металлах

Металлы состоят из положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и совокупности свободных электронов. Вне электрического поля свободные электроны движутся хаотически, подобно молекулам идеального газа, а потому рассматриваются в классической электронной теории как электронный газ.

Под действием внешнего электрического поля меняется характер движения свободных электронов внутри металла. Электроны, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля.

Следовательно, электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов.

Сила тока в металлическом проводнике определяется по формуле:

\(I=en_0\bar vS\),

где I – сила тока в проводнике,

e – модуль заряда электрона,

\(n_0\) – концентрация электронов проводимости,

\(\bar v\) – средняя скорость упорядоченного движения электронов,

S – площадь поперечного сечения проводника.

Плотность тока проводимости численно равна заряду, проходящему за 1 с через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению тока:

\(j=en_0\bar v\),

где \(j\) – плотность тока.

У большинства металлов практически каждый атом ионизирован. А так как концентрация электронов проводимости одновалентного металла равна

\(n_0=\frac {N_a}A\rho\),

где \(N_a \) – постоянная Авогадро, \(A\) – атомная масса металла, \(\rho\) – плотность металла,

то получаем, что концентрация определяется в пределах \(10^{28}-10^{29}\) м\(^{-3}\).

Электрический ток в растворах (расплавах) электролитов – это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

Прохождение электрического тока через раствор электролита всегда сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в его состав. Это явление называют электролизом.

При движении внутри электролитов ионы взаимодействуют с молекулами воды и другими ионами, т. е. электролиты оказывают некоторое противодействие движению, а, следовательно, обладают сопротивлением. Электрическое сопротивление электролитов зависит от концентрации ионов, величины заряда иона, от скорости движения ионов обоих знаков.

При нормальных условиях газы состоят из нейтральных молекул, а поэтому являются диэлектриками. Так как для получения электрического тока в газах необходимо наличие заряженных частиц, то молекулы газа следует ионизировать (оторвать электроны от молекул). Для ионизации молекул необходимо затратить энергию – энергию ионизации, количество которой зависит от рода вещества. Так, энергия ионизации минимальна для атомов щелочных металлов и максимальна для инертных газов.

Ионизировать молекулы можно при нагревании газа, при облучении его различного рода лучами. Благодаря дополнительной энергии возрастает скорость движения молекул, нарастает интенсивность их теплового движения и при соударении отдельные молекулы теряют электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.

В вакууме отсутствуют заряженные частиц, а следовательно, он является диэлектриком. Т. е. необходимо создать определенные условия, которые помогут получить заряженные частицы.

Свободные электроны есть в металлах. При комнатной температуре они не могут покинуть металл, т. к. удерживаются в нем силами кулоновского притяжения со стороны положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону необходимо затратить определенную энергию, которая называется работой выхода. Энергию, большую или равную работе выхода, электроны могут получить при разогреве металла до высоких температур.