Электрическая проводимость различных веществ. Электронная проводимость металлов

>>Физика: Электронная проводимость металлов

Начнем с металлических проводников. Вольт-амперная характеристика этих проводников нам известна, но пока ничего не говорилось о ее объяснении с точки зрения молекулярно-кинетической теории.
Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Их концентрация велика - порядка 10 28 1/м 3 . Эти электроны участвуют в беспорядочном тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью порядка 10 -4 м/с.
Экспериментальное доказательство существования свободных электронов в металлах. Экспериментальное доказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов, было дано в опытах Л.И.Мандельштама и Н. Д. Папалекси (1913), Б. Стюарта и Р. Толмена (1916). Схема этих опытов такова.
На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга (рис.16.1 ). К концам дисков при помощи скользящих контактов подключают гальванометр.

Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции и, следовательно, в катушке возникает электрический ток. Ток существует незначительное время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается.
Направление тока в этом опыте говорит о том, что он создается движением отрицательно заряженных частиц. Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т. е. |q|/m . Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за время существования тока в цепи, удалось определить это отношение. Оно оказалось равным 1,8 10 11 Кл/кг. Эта величина совпадала с отношением заряда электрона к его массе е/m , найденным ранее из других опытов.
Движение электронов в металле. Электроны под влиянием силы, действующей на них со стороны электрического поля, приобретают определенную скорость упорядоченного движения . Эта скорость не увеличивается в дальнейшем со временем, так как, сталкиваясь с ионами кристаллической решетки, электроны теряют направленное движение, а затем опять под действием электрического поля начинают двигаться направленно. В результате средняя скорость упорядоченного движения электронов оказывается пропорциональной напряженности электрического поля в проводнике v ~ E и, следовательно, разности потенциалов на концах проводника, так как , где l - длина проводника.
Сила тока в проводнике пропорциональна скорости упорядоченного движения частиц (см. формулу (15.2)). Поэтому можем сказать, что сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника: I ~U . В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.
Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно. Дело в том, что условия движения электронов в металле таковы, что классическая механика Ньютона неприменима для описания этого движения.
Наиболее наглядно это видно из следующего примера. Если экспериментально определить среднюю кинетическую энергию теплового движения электронов в металле при комнатной температуре и найти соответствующую этой энергии температуру, то получим температуру порядка 10 5 -10 6 К. Такая температура существует внутри звезд. Движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики.
Экспериментально доказано, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Под действием электрического поля электроны движутся с постоянной средней скоростью, испытывая тормозящее влияние со стороны кристаллической решетки. Скорость упорядоченного движения электронов прямо пропорциональна напряженности поля в проводнике.

???
1. Катушка (см. рис. 16.1) вращалась по часовой стрелке, а затем была резко заторможена. Каково направление электрического тока в катушке в момент торможения?
2. Как скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике зависит от напряжения на концах проводника?

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,

Электронная теория проводимости металлов была впервые создана в 1900 г. немецким физиком П.Друде и впоследствии разработана нидерландским физиком Х.Лоренцем. Основным ее положением является то, что носителями тока в метал­лах служат свободные электроны.

Это подтверждалось рядом классических опытов.

В опыте К.Рикке (1901 г.) электрический ток в течение года пропускался че­рез три последовательно соединенных металлических цилиндра (Cu, Al, Cu) с от­шлифованными торцами одинакового радиуса. Общий заряд, прошедший через ци­линдры, равнялся 3.5?10 6 Кл. Проведенное после этого взвешивание показало, что вес цилиндров не изменился, также не было обнаружено проникновения одного металла в другой. Следовательно, перенос заряда осуществлялся не ионами, а общими для всех металлов частицами - электронами.

Для подтверждения этого положения необходимо было определить знак и ве­личину удельного заряда q/m (заряда единицы массы) носителей тока. Идея опытов и их качественное воплощение принадлежит российским физикам Л.Мандельштаму и Н.Папалески (1913 г.). Если движущийся поступательно проводник резко остановить, то, подклю­ченный к нему гальванометр зафиксирует кратковременный ток. Это объясняется тем, что носители тока не связаны жестко с кристаллической решеткой и при тор­можении продолжают двигаться по инерции. По направлению тока гальванометра было определено, что знак заряда носителя тока - отрицательный. Согласно численному расчету, удельный заряд носителя тока оказался приблизительно равным удельному заряду электрона. К таким же результатам привели опыты Ч.Стюарта и Т.Толмена (1916 г.), в которых быстрые крутильные колебания катушки, соединенной с чувстви­тельным гальванометром, создавали переменный электрический ток. Таким образом, было доказано, что носителями электрического тока в метал­лах являются свободные электроны.

Свободные электроны - это валентные электроны атомов металла, наиболее слабо связанные с ядрами атомов. Они легко отрываются, переходят от одного атома к другому и являются как бы “обобществленными”. Атомы, оставшиеся без нескольких электроонов ‑ положительные ионы, колеблются около некоторых точек равновесия, называемых узлами кристаллической решетки, и мешают свободному движению электронов.

Вы также можете найти интересующую информацию в научном поисковике Otvety.Online. Воспользуйтесь формой поиска:

Еще по теме 3.1. Опытные доказательства электронной проводимости металлов.:

1. Становление опытной науки в новоевропейской культуре. Формирование идеалов математизированного и опытного знания: оксфордская школа, Р. Бэкон, Оккам
2. 3.2 Полукристаллические и аморфные металлы и сплавы. Особенности металлов в тонкопленочном состоянии
3. 44)Виды инвестиций в драгоценные металлы в качестве резерв­ных активов и производные инструменты на их основе. Бан­ковские операции с драгоценными металлами
4. Вопрос 29. Электронный документооборот. Электронная цифровая подпись.
5. 5. Внедрение электронной системы государственных закупок на основе технологий электронно-цифровой подписи.
6. 1.Порядок упаковки драг металлов и монет из драг металлов.
7. 41 Электронные таблицы (ЭТ) (электронный процессор) в школьном курсе информатики. Методика обучения в этой среде.
8. 50. Доказательства, проверяемые в предварительном слушании, на их допусти-мость в судебный процесс доказывания. Порядок рассмотрения вопроса о допустимости доказательств; основания к исключению доказательств.
9. Билет №23 Вопрос 1. Средства доказывания (виды доказательств) в арбитражном процессе. Особенности исследования доказательств. Значение заявления о фальсификации доказательства.
10. Кулик Татьяна Юрьевна. Особенности правового регулирования договоров, заключаемых в электронной форме [Электронный ресурс] : дис. ... канд. юрид. наук: 12.00.03. - Москва: РГБ, 2007, 2007

Наиболее полно и точно явление электрической проводимости металлов описывает квантовая теория твердых тел. Однако для выяснения наиболее общих вопросов можно ограничиться и рассмотрением на основе классической электронной теории. Согласно этой теории совокупность электронов в кристалле можно с известным приближением уподобить идеальному газу, считая движение электронов подчиняющимся законам классической механики. При этом взаимодействие электронов между собой не рассматривается вообще, а взаимодействие электронов с ионами кристаллической решетки сводится к обычным упругим столкновениям.

Металлы содержат огромное число свободных электронов, перемещающихся в межузельном пространстве кристалла. В 1 см 3 насчитывается около 10 23 атомов. Следовательно, при валентности металла Z концентрация n свободных электронов, называемых еще электронами проводимости, равна . Все они находятся в беспорядочном хаотическом тепловом движении, перемещаясь в пространстве кристалла с колоссальной скоростью, среднее значение которой около 10 8 см/с. В силу хаотичности теплового движения число электронов, двигающихся в каком-либо направлении, в среднем всегда равно числу электронов, двигающихся во встречном направлении, благодаря чему в отсутствие внешнего электрического поля заряд, переносимый электронами через любое сечение кристалла, равен нулю. Под действием электрического поля каждый электрон приобретает дополнительную скорость, благодаря чему весь коллектив электронов в металле начинает перемещаться в направлении, противоположном направлению напряженности приложенного поля. Появление направленного движения электронов и определяет возникновение в проводнике электрического тока.

На каждый электрон электрическое поле напряженностью Е действует с силой F = eE. Под действием этой силы электрон приобретает ускорение

где e - заряд электрона, а m - его масса.

Согласно законам классической механики в свободном пространстве скорость электронов возрастала бы неограниченно; то же наблюдалось бы при их движении в строго периодическом поле (например, в идеальном кристалле с покоящимися в узлах атомами).

В действительности же благодаря нарушениям периодичности в потенциальном поле решетки направленное перемещение электронов в кристалле оказывается совсем незначительным. Нарушения эти в первую очередь связаны с тепловыми колебаниями атомов (в случае металлов - атомных остатков) в узлах кристаллической решетки (при этом амплитуда колебаний тем больше, чем выше температура кристалла). Кроме того, в кристалле всегда имеются различные дефекты, обусловленные наличием атомов примесей, пустых мест в узлах, атомов в междоузлиях, дислокаций. Влияют также границы блоков кристаллов, трещины, полости и т. д.

В этих условиях электроны все время испытывают столкновения и растрачивают приобретенную в электрическом поле энергию. Поэтому в действительности скорость электронов под действием силы внешнего поля увеличивается только на участке между двумя столкновениями. Средняя длина этого участка называется длиной свободного пробега электрона и обозначается через λ.

Итак, ускоряясь на длине свободного пробега, электрон приобретает дополнительную скорость направленного движения

где τ - время свободного пробега, или среднее время между двумя последовательными соударениями электрона с дефектами. Зная длину свободного пробега λ, можно время свободного пробега τ вычислить по формуле

где υ 0 - скорость хаотического теплового движения электрона. Длина свободного пробега электрона λ обычно очень мала и не превышает 10 -5 см. Поэтому малыми оказываются и время свободного пробега τ, и сама добавка скорости Δυ. Так как то

Принимая, что при столкновении с дефектом электрон практически полностью теряет скорость направленного движения, можно среднюю скорость направленного движения, называемую скоростью дрейфа, выразить так:

Коэффициент пропорциональности

между средней скоростью дрейфа и напряженностью поля Е называется подвижностью электронов.

Название этой величины точно отражает ее физический смысл: подвижность - это скорость дрейфа, которую приобретают электроны в электрическом поле единичной напряженности. Более строгий расчет, учитывающий тот факт, что и при хаотическом тепловом движении электроны перемещаются не с постоянной скоростью υ 0 , а имеют различные скорости, приводит к вдвое большему значению для подвижности электронов:

Соответственно и для скорости дрейфа более точным является выражение

Найдем теперь выражение для плотности тока в металлах. Так как под действием внешнего электрического поля электроны приобретают дополнительную скорость дрейфа то за единицу времени через любую площадку, перпендикулярную напряженности поля, пройдут все электроны, отстоящие от этой площадки на расстоянии, не превосходящем Через площадку площадью S за то же время пройдут все электроны, заключенные в объеме параллелепипеда длиной (рис. 15). Если концентрация свободных электронов в металле n, то число их в объеме этого параллелепипеда будет равно . Плотность тока, определяемая зарядом, перенесенным этими электронами через единичную площадь, выразится так.

Прохождение тока через металлы (проводники первого рода) не сопровождается химическим изменением их (§ 40). Это обстоятельство заставляет предполагать, что атомы металла при прохождении тока не перемещаются от одного участка проводника к другому. Это предположение было подтверждено опытами немецкого физика Карла Виктора Эдуарда Рикке (1845-1915). Рикке составил цепь, в которую входили три тесно прижатых друг к другу торцами цилиндра, из которых два крайних были медные, а средний алюминиевый. Через эти цилиндры пропускался электрический ток в течение весьма длительного времени (больше года), так что общее количество протекшего электричества достигло огромной величины (свыше 3000000 Кл). Производя затем тщательный анализ места соприкосновения меди и алюминия, Рикке не мог обнаружить следов проникновения одного металла в другой. Таким образом, при прохождении тока через металлы атомы металла не перемещаются вместе с током.

Каким же образом происходит перенос зарядов при прохождении тока через металл?

Согласно представлениям электронной теории, которыми мы неоднократно пользовались, отрицательные и положительные заряды, входящие в состав каждого атома, существенно отличаются друг от друга. Положительный заряд связан с самим атомом и в обычных условиях неотделим от основной части атома (его ядра). Отрицательные же заряды – электроны, обладающие определенным зарядом и массой, почти в 2000 раз меньшей массы самого легкого атома – водорода, сравнительно легко могут быть отделены от атома; атом, потерявший электрон, образует положительно заряженный ион. В металлах всегда есть значительное число «свободных», отделившихся от атомов электронов, которые блуждают по металлу, переходя от одного иона к другому. Эти электроны под действием электрического поля легко перемещаются по металлу. Ионы же составляют остов металла, образуя его кристаллическую решетку (см. том I).

Одним из наиболее убедительных явлений, обнаруживающих различие между положительным и отрицательным электрическими зарядами в металле, является упомянутый в § 9 фотоэлектрический эффект, показывающий, что электроны сравнительно легко могут быть вырваны из металла, тогда как положительные заряды крепко связаны с веществом металла. Так как при прохождении тока атомы, а следовательно, и связанные с ними положительные заряды не перемещаются по проводнику, то переносчиками электричества в металле следует считать свободные электроны. Непосредственным подтверждением этих представлений явились важные опыты, выполненные впервые в 1912 г. Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси, но не опубликованные ими. Четыре года спустя (1916 г.) Р. Ч. Толмен и Т. Д. Стюарт опубликовали результаты своих опытов, оказавшихся аналогичными опытам Мандельштама и Папалекси.

При постановке этих опытов исходили из следующей мысли. Если в металле есть свободные заряды, обладающие массой, то они должны подчиняться закону инерции (см. том I). Быстро движущийся, например, слева направо проводник представляет собой совокупность движущихся в этом направлении атомов металла, которые увлекают вместе с собой и свободные заряды. Когда такой проводник внезапно останавливается, то останавливаются входящие в его состав атомы; свободные же заряды по инерции должны продолжать движение слева направо, пока различные помехи (соударения с остановившимися атомами) не остановят их. Происходящее явление подобно тому, что наблюдается при внезапной остановке трамвая, когда «свободные», не прикрепленные к вагону предметы и люди по инерции некоторое время продолжают двигаться вперед.

Таким образом, краткое время после остановки проводника свободные заряды в нем должны двигаться в одну сторону. Но движение зарядов в определенную сторону есть электрический ток. Следовательно, если наши рассуждения справедливы, то после внезапной остановки проводника надо ожидать появления в нем кратковременного тока. Направление этого тока позволит судить о знаке тех зарядов, которые двигались по инерции; если слева направо будут двигаться положительные заряды, то обнаружится ток, направленный слева направо; если же в этом направлении будут двигаться отрицательные заряды, то должен наблюдаться ток, имеющий направление справа налево. Возникающий ток зависит от зарядов и способности их носителей более или менее долго сохранять по инерции свое движение, несмотря на помехи, т. е. от их массы. Таким образом, этот опыт не только позволяет проверить предположение о существовании в металле свободных зарядов, но и определить сами заряды, их знак и массу их носителей (точнее, отношение заряда к массе ).

В практическом осуществлении опыта оказалось более удобным использовать не поступательное, а вращательное движение проводника. Схема такого опыта приведена на рис. 141. На катушке, в которую вделаны две изолированные друг от друга полуоси , укреплена проволочная спираль 1. Концы спирали припаяны к обеим половинам оси и при помощи скользящих контактов 2 («щеток») присоединены к чувствительному гальванометру 3. Катушка приводилась в быстрое вращение и затем внезапно тормозилась. Опыт действительно обнаружил, что при этом в гальванометре возникал электрический ток. Направление этого тока показало, что по инерции движутся отрицательные заряды. Измерив заряд, переносимый этим кратковременным током, можно было найти отношение свободного заряда к массе его носителя. Отношение это оказалось равным Кл/кг, что хорошо совпадает со значением такого отношения для электронов, определенным другими способами.

Рис. 141. Исследование природы электрического тока в металлах

Итак, опыты показывают, что в металлах имеются свободные электроны. Эти опыты являются одним из наиболее важных подтверждений электронной теории металлов. Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов (в отличие от их беспорядочного теплового движения, всегда имеющегося в проводнике).

86.1. Металлический незаряженный диск приводится в быстрое вращение и, таким образом, становится «центрифугой для электронов». Между центром и периферией диска возникает разность потенциалов (рис. 142; 1 – диск, 2 – контакты, 3 – электрометр). Каков будет знак этой разности?

Рис. 142. К упражнению 86.1

86.2. По серебряной проволоке с сечением 1 мм2 проходит ток силы 1 А. Вычислите среднюю скорость упорядоченного движения электронов в этой проволоке, полагая, что каждый атом серебра дает один свободный электрон. Плотность серебра равна кг/м3, его относительная атомная масса равна 108. Постоянная Авогадро моль-1.

86.3. Сколько электронов должно проходить через поперечное сечение провода ежесекундно, чтобы в проводе шел ток 2 А? Заряд электрона равен Кл.

Электрическая проводимость характеризует способность тела проводить электрический ток. Проводимость — величина обтаная сопротивлению . В формуле она обратно пропорциональна электрическому сопротивлению, и используются они фактически для обозначения одних и тех же свойств материала. Измеряется проводимость в Сименсах : [См]=.

Виды электропроводимости:

— Электронная проводимость , где переносчиками зарядов являются электроны. Такая проводимость характерна в первую очередь для металлов, но присутствует в той или иной степени практически в любых материалах. С увеличением температуры электронная проводимость снижается.

— Ионная проводимость . Существует в газообразных и жидких средах, где имеются свободные ионы, которые также переносят заряды, перемещаясь по объёму среды под действием электромагнитного поля или другого внешнего воздействия. Используется в электролитах. С ростом температуры ионная проводимость увеличивается, поскольку образуется большее количество ионов с высокой энергией, а также снижается вязкость среды.

— Дырочная проводимость . Эта проводимость обуславливается недостатком электронов в кристаллической решётке материала. Фактически, переносят заряд здесь опять же электроны, но они как бы движутся по решётке, занимая последовательно свободные места в ней, в отличии от физического перемещения электронов в металлах. Такой принцип используется в полупроводниках, наряду с электронной проводимостью.

Самыми первыми материалами, которые стали использоваться в электротехнике исторически были металлы и диэлектрики (изоляторы, которым присуща маленькая электрическая проводимость). Сейчас получили широкое применение в электронике полупроводники. Они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и характеризуются тем, что величину электрической проводимости в полупроводниках можно регулировать различным воздействием. Для производства большинства современных проводников используются кремний, германий и углерод. Кроме того, для изготовления ПП могут использоваться другие вещества, но они применяются гораздо реже.

В важное значение имеет передача тока с минимальными потерями. В этом отношении важную роль играют металлы с большой электропроводностью и, соответственно, маленьким электросопротивлением. Самым лучшим в этом отношении является серебро (62500000 См/м), далее следуют медь (58100000 См/м), золото (45500000 См/м), алюминий (37000000 См/м). В соответствии с экономической целесообразностью чаще всего используются алюминий и медь, при этом медь по проводимости совсем немного уступает серебру. Все остальные металлы не имеют промышленного значения для производства проводников.