Электрический ток в металлах

III. Основы электродинамики

Как известно, химически чистая (дистиллированная) вода является плохим проводником. Однако при растворении в воде различных веществ (кислот, щелочей, солей и др.) раствор становится проводником, из-за распада молекул вещества на ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией, а сам раствор электролитом, способным проводить ток.

В отличие от металлов и газов прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах, что приводит к выделению на них химических элементов, входящих в состав электролита.

Первый закон Фарадея: масса вещества, выделяющегося на каком-либо из электродов, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит

Электрохимический эквивалент вещества — табличная величина.

Второй закон Фарадея:

Протекание тока в жидкостях сопровождается выделением теплоты. При этом выполняется закон Джоуля-Ленца.

Свободные электроны

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическую структуру: расположение атомов в пространстве характеризуется периодической повторяемостью и образует геометрически правильный рисунок, называемый кристаллической решёткой.

Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, расположенных на внешней электронной оболочке. Эти валентные электроны слабо связаны с ядром, и атом легко может их потерять.

Когда атомы металла занимают места в кристаллической решётке, валентные электроны покидают свои оболочки — они становятся свободными и отправляются «гулять» по всему кристаллу (а именно, свободные электроны перемещаются по внешним орбиталям соседних атомов. Эти орбитали перекрываются друг с другом вследствие близкого расположения атомов в кристаллической решётке, так что свободные электроны оказываются «общей собственностью» всего кристалла). В узлах кристаллической решётки металла остаются положительные ионы, пространство между которыми заполнено «газом» свободных электронов (рис. 1 ).

Рис. 1. Свободные электроны

Свободные электроны и впрямь ведут себя подобно частицам газа (другой адекватный образ — электронное море, которое «омывает» кристаллическую решётку) — совершая тепловое движение, они хаотически снуют туда-сюда между ионами кристаллической решётки. Суммарный заряд свободных электронов равен по модулю и противоположен по знаку общему заряду положительных ионов, поэтому металлический проводник в целом оказывается электрически нейтральным.

Газ свободных электронов является «клеем», на котором держится вся кристаллическая структура проводника. Ведь положительные ионы отталкиваются друг от друга, так что кристаллическая решётка, распираемая изнутри мощными кулоновскими силами, могла бы разлететься в разные стороны. Однако в тоже самое время ионы металла притягиваются к обволакивающему их электронному газу и, как ни в чём не бывало, остаются на своих местах, совершая лишь тепловые колебания в узлах кристаллической решётки вблизи положений равновесия.

Что произойдёт, если металлический проводник включить в замкнутую цепь, содержащую источник тока? Свободные электроны продолжают совершать хаотическое тепловое движение, но теперь — под действием возникшего внешнего электрического поля — они вдобавок начнут перемещаться упорядоченно. Это направленное течение электронного газа, накладывающееся на тепловое движение электронов, и есть электрический ток в металле (поэтому свободные электроны называются также электронами проводимости). Скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике, как нам уже известно, составляет приблизительно 0,1мм/с.

Вольт-амперная характеристика металлического проводника

3. В курсе физики основной школы вы изучали закон Ома для участка цепи: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Зависимость силы тока в проводнике от напряжения на его концах называют вольт-амперной характеристикой проводника. Для металлического проводника сила тока прямо пропорциональна напряжению, поэтому графиком его вольт-амперной характеристики является прямая, проходящая через начало координат (рис. 7).

Электрический ток в металлах

Все металлы в твердом и жидком состоянии являются проводниками электрического тока. Специально поставленные опыты показали, что при прохождении злектрического тока масса металлических проводников остается постоянной, не изменяется и их химический состав. На этом основании можно было предположить, что в создании электрического тока в металлах участвуют только электроны. Предположение об электронной природе электрического тока в металлах подтверждено опытами советских физиков Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси и американских физиков Т. Стюарта и Р. Толмена. В этих опытах было обнаружено, что при резкой остановке быстро вращающейся катушки в проводе катушки возникает электрический ток, создаваемый отрицательно заряженными частицами — электронами.

При отсутствии электрического поля свободные электроны перемещаются в кристалле металла хаотически. Под действием электрического поля свободные электроны, кроме хаотического движения, приобретают упорядоченное движение в одном направлении, и в проводнике возникает электрический ток. Свободные электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, отдавая им при каждом столкновении кинетическую энергию, приобретенную при свободном пробеге под действием электрического поля. В результате упорядоченное движение электронов в металле можно рассматривать как равномерное движение с некоторой постоянной скоростью V.

Так как кинетическая энергия электронов, приобретаемая под действием электрического поля, передается при столкновении ионами кристаллической решетки, то при прохождении постоянного тока проводник нагревается.

Зависимость удельного электрического сопротивления металлов от температуры.

Удельное сопротивление металлов при нагревании увеличивается приблизительно по линейному закону (рис. 152):

где р — удельное электрическое сопротивление металла при температуре t, ро — его удельное сопротивление при О °С, а — температурный коэффициент сопротивления, особый для каждого металла,

С приближением температуры к абсолютному нулю удельное сопротивление монокристаллов становится очень малым. Этот факт свидетельствует о том, что в идеальной кристаллической решетке металла электроны перемещаются под действием электрического поля, не взаимодействуя с ионами решетки. Длина их свободного пробега при этом может достигать значений, порядка 1 см, т. е. в 107—108 раз превышает межатомные расстояния в кристалле. Электроны взаимодействуют лишь с ионами, не находящимися в узлах кристаллической решетки.

При повышении температуры возрастает число дефектов в кристаллической решетке из-за тепловых колебаний ионов, — это приводит к возрастанию удельного сопротивления кристалла.

В том, что электрическое сопротивление металлов обусловлено взаимодействиями электронов проводимости с различными дефектами решетки, убеждает и тот факт, что удельное сопротивление кристаллов металлов сильно зависит от наличия в них примесей. Например, введение 1 % примеси марганца увеличивает удельное сопротивление меди в три раза.

Сверхпроводимость.

В 1911 г. нидерландский ученый Гейке Камерлинг-Ониес (1853— 1926) обнаружил, что при понижении температуры ртути до 4,1 К ее удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис. 153). Явление уменьшения удельного сопротивления до нуля при температуре, отличной от абсолютного нуля, называется сверхпроводимостью. Материалы, обнаруживающие способность переходить при некоторых температурах, отличных от абсолютного нуля, в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками.

Прохождение тока в сверхпроводнике происходит без потерь энергии, поэтому однажды возбужденный в сверхпроводящем кольце электрический ток может существовать неограниченно долго без изменения.

Сверхпроводящие материалы уже используются в электромагнитах. Ведутся исследования, направленные на создание сверхпроводящих линий электропередачи.

Применение явления сверхпроводимости в широкой

практике может стать реальностью в ближайшие годы благодаря открытию в 1986 г. сверхпроводимости керамик — соединений лантана, бария, меди и кислорода. Сверхпроводимость таких керамик сохраняется до температур около 100 К.

Читайте также  Работа своими руками

Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике.

Для определения скорости упорядоченного движения свободных электрических зарядов в проводнике нужно знать концентрацию свободных носителей заряда и силу тока . Если концентрация свободных электрических зарядов в проводнике то за промежуток времени через поперечное сечение проводника при скорости их упорядоченного движения проходит электрический заряд равный

где — модуль заряда электрона. Сила тока I в проводнике при этом равна

Из последнего уравнения скорость упорядоченного движения электронов в проводнике получается равной

Концентрация свободных электронов в металлах примерно равна концентрации атомов, модуль заряда электрона Для проводника с площадью поперечного сечения при силе тока скорость упорядоченного движения электронов равна

За 1 с электроны в проводнике перемещаются за счет упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм.

Малые значения скорости упорядоченного движения свободных зарядов в проводниках не приводят к запаздыванию зажигания электрических ламп, включения электромоторов и т. д., так как при включении электрической цепи вдоль проводов со скоростью света распространяется электромагнитное поле. Это поле приводит в движение свободные электрические заряды почти одновременно во всех проводниках электрической цепи.

Природа металлов

Это вещества, обладающие высокой плотностью, теплопроводностью, а при нагреве — пластичностью. Главное их отличие от большинства неметаллов в том, что они имеют структурированную межатомную связь. Схематично это выглядит как объёмная решётка, в узлах которой размещены положительные ионы. Вокруг них вращается сколько-то электронов. Кстати, количество этих частиц у каждого металла своё. Из-за этого они и отличаются друг от друга. Однако у металлов есть общее свойство: их ионы жутко «рассеяны» и постоянно теряют свои электроны. Получив «свободу», такие отрицательно заряженные частицы хаотично перемещаются внутри кристаллической решётки.

В обычном состоянии металл не имеет потенциала или какого-то электрического заряда. Обусловлено это тем, что общий заряд электронов, находящихся «в свободном поиске», равен суммарному заряду положительных ионов решётки.

Доказательство тому, что электрический ток в металлах создаётся электронами, сделали в 1913 г. Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси. Они предположили, что эти частицы имеют вес, а значит, должны подчиняться законам механики.

В своих опытах учёные сильно раскручивали катушку из металлической проволоки, а затем резко останавливали её.

Находящиеся там свободные электроны после прекращения вращения, по закону инерции, должны были какое-то время перемещаться, создавая направленное движение. Так и получалось, что подтверждалось кратким щелчком в динамике телефона.

Более качественно данный опыт провели в 1916 году Р. Толмен и Б. Стюарт. Для измерения возникновения тока они использовали гальванометр.

Сообщения о сделанных открытиях побудили П. Друде к исследованиям в этой области. Вскоре он представил научному миру свою теорию о возникновении электрического тока, которая была расширена Х. Лоренцем и стала называться «классическая теория электричества». Она гласит: если к концам металлического проводника приложить разноимённо заряженные потенциалы, то в нём возникает электрический ток. Таким образом, природа электрического тока в металлах заложена в их особой структуре. А именно:

  • наличием отрицательно заряженных, электронов, свободно перемещающихся между ионами;
  • способностью этих заряженных частиц реагировать на электрический потенциал и являться его носителем.

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.

Идеальный проводник электричества

Давайте представим идеальный проводник электричества, где имеются одни только свободные заряды — электроны. В реальности такого проводника не существует, есть лишь приближения к нему, но представить такой провайдер электричества вполне возможно.

Что же мы имеем в качестве идеального проводника? Проще всего его представить как показано на рисунке в виде прямоугольного бруска, в котором существуют свободные электроны. Этот брусок имеет объем V (м 3 ), длину, высоту и протяжённость в глубину. Внутри бруска имеются равномерно распределенные заряды — электроны. На объем бруска V, есть некоторая величина плотности заряда σ (сигма), которая показывает сколько свободных зарядов на единицу объёма. Иначе говоря это величина кратная элементарному заряду и показывает сколько кулонов электричества в единице объёма равного 1 м 3 .

Так как в природе всё движется, свободные заряды в таком идеальном проводнике будут пребывать в хаотическом движении. Каждый будет двигаться казалось бы случайным образом по пути наименьшего сопротивления. Если сквозь брусок провести секущую плоскость S, то в любой момент времени количество зарядов проскочивших сквозь плоскость в одном и другом направлении, справа и слева от неё, будет примерно одинаковое. В таком случае говорят, что поток электричества сквозь плоскость отсутствует, так как вошло столько же зарядов, сколько и вышло.

Площадь сечения S похожа на решето, сквозь которого проходят заряды. Количество зарядов dq прошедших за время dt сквозь такое решето и будет тем самым потоком электричества, которое называется электрическим током. Фактически это статистическая скорость электричества сквозь сечение проводника.

Что же произойдёт если появится внешнее электрическое поле? Что будет происходить с зарядами в объёме бруска V, когда с торцов появятся источники электрического поля?

Будет происходить следующее.

Под действием электрического поля источника свободные носители зарядов — электроны, начнут двигаться, потому как на них будет действовать кулоновская сила. Действие силы F приведёт к росту скорости движения зарядов, они начнут двигаться с ускорением, и с каждым моментом времени их скорость будет возрастать. Если бы наш брусок был очень большим, а электрическое поле неизменным, то за долгое время элементарные частицы разогнались бы до скорости близкой к скорости света. Такое возможно в идеальном проводнике, так как ничто не препятствует набору скорости электронами. Но в реальном проводнике из вещества, например, меди, такое не возможно так как электроны встретят на своём пути препятствие в виде кристаллической решётки.

Как только электроны проскочат сечение S, можно смело говорить о потоке электричества сквозь это сечение. В этом случае за промежуток времени dt , через сечение S пройдёт определённое количество электричества dq , а значит ток I будет иметь величину отличающуюся от нуля. Это и будет тот самый ток проводимости о котором говорилось в начале. Для идеального случая ток будет возрастать, так как скорость движения свободных зарядов возрастает. Величина тока в таком случае будет также расти как и скорость зарядов, но в реальном проводнике такого не происходит, так как электроны испытывают торможение при столкновении с электрическим полем кристаллической решётки.

Читайте также  Установка трансформатора тока

От чего же зависит величина силы тока? От многих факторов. Один из них — это площадь сечения S, а на практике — это сечение провода. Другой фактор — это плотность свободных зарядов на единицу объёма, или иначе, концентрация зарядов в проводнике. Третий фактор — это величина напряжённости источника электрического поля, которая пропорциональна напряжению источника и его качеству. Четвёртый фактор — это различные преграды на пути движения свободных зарядов, например структура кристаллической решётки материала проводника.

Свободные электроны в металлах

Вещества, относящиеся к металлам, могут находиться как в твердом, так и в жидком состоянии (ртуть, галлий, цезий и др.). При этом все они являются проводниками электрического тока. Твердые вещества имеют структуру жесткой кристаллической решетки, в узлах которых “сидят” положительно заряженные ионы, совершающие небольшие колебания относительно точки равновесия. В объеме кристалла всегда присутствует большое количество свободных электронов, которые вырвались с орбит атомов в результате механических соударений или воздействия излучений.

Рис. 1. Механизм электрического тока в металлах.

Это электронное “облако” движется беспорядочно, хаотично до тех пор, пока к металлу не будет приложено электрическое поле. Электрическое поле E, созданное внешним источником (батареей, аккумулятором), действует на заряд q с силой F:

Под действием этой силы электроны приобретают ускорение в одном направлении и, таким образом, появляется электрический ток в цепи.

Многочисленные наблюдения показали, что при прохождении электрического тока масса проводников и их химический состав не изменяются. Отсюда следует вывод, что ионы металлов, которые составляют основную массу вещества, не принимают участия в переносе электрического заряда.

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 :