Електричний струм у металах Виконала Зізюкіна Валерія учениця

Електричний струм у металах Виконала: Зізюкіна Валерія учениця 9 -Бкласу Харківської гімназії № 34

Природа електричного струму в металах Між атомами в кристалах існує ковалентний зв'язок, за якого електрони слабко утримуються іонами кристалічних решіток. Ці так звані вільні електрони провідності можуть створювати струм у металах.

Негативний заряд усіх вільних електронів за абсолютним значенням дорівнює позитивному заряду всіх іонів решітки. Тому в звичайних умовах метал електрично нейтральний. Природа носіїв зарядів у металах доведена класичними дослідами Рікке, Мандельштамма-Папалексі та Толмена-Стюарта.

Дослід Рікке К. Рікке на трамвайній підстанції включив в головний провід, що живить трамвайні лінії, послідовно три тісно притиснутих циліндра; два крайніх були мідними, а середній алюмінієвим. Через ці циліндри більше року проходив електричний струм. Провівши ретельний аналіз того місця, де циліндри контактували, К. Рікке не виявив в міді атомів алюмінію, а в алюмінії - атомів міді, тобто дифузія не відбулася. Таким чином, він експериментально довів, що при проходженні по провідникові електричного струму іони не переміщаються. Отже, переміщуються одні лише вільні електрони, а вони у всіх речовин однакові.

Досліди Мандельштама-Папалексі (1913) і Толмена-Стюарта (1916). Якщо привести в швидке обертання дротяну котушку, а потім її різко зупинити, то в такому колі електровимірювальні прилади покажуть наявність короткочасного струму, хоча в ланцюзі немає джерела струму. Це продовжували рухатися електрони провідності.

У цих дослідах було встановлене відношення заряду електрона до його маси: е/m=1, 76*1011 Кл/кг

Електричний струм у металах являє собою напрямлений рух вільних електронів.

Якщо в провіднику немає електричного поля, то електрони рухаються хаотично, аналогічно тому, як рухаються молекули газів або рідин. У кожний момент часу швидкості різних електронів відрізняються по модулях і за напрямками. Якщо ж у провіднику створено електричне поле, то електрони, зберігаючи своє хаотичний рух, починають зміщуватися у бік позитивного полюса джерела. Разом з безладним рухом електронів виникає і упорядкований їх перенесення - дрейф.

Електричний опір у металах За відсутності електричного поля вільні електрони рухаються безладно. Поводження електронів при цьому нагадує поводження молекул у газі. Тому структуру металу можна уявити як іонний кістяк, поміщений в електронний газ. Концентрація електронів провідності для більшості металів значна (1028~1029 м~3). Цим пояснюється гарна провідність металів.

Залежність опору металів від температури Оскільки зі збільшенням температури зростає швидкість коливального руху йонів у кристалічних решітках металу, то ймовірність зіткнень електронів з іонами різко зростає. В разі підвищення температури опір металів збільшується. Цей факт покладено в основу так званих термометрів опору, приладів для вимірювання температури, принцип дії яких заснований на зміні електричного опору чистих металів, сплавів і напівпровідників з температурою (на збільшенні опору R з підвищенням температури Т металів і зворотна залежність R від Т напівпровідників)

Як показують досліди, опір R провідника лінійно залежить від його температури: R=R 0 (I- αt) де R 0 — опір за 0 °С, I— температура, α — температурний коефіцієнт опору.

Явище надпровідності 1911 року голландський учений Г. Камерлінг -Оннес експериментально досліджував опір ртуті за низької температури. Під час охолодження ртуті рідким гелієм до температури 4, 1 К (близько -269 °С) її опір надав до нуля. Це явище одержало назву надпровідності. Властивість надпровідності виявлена в багатьох металів (свинець, алюміній та ін. ) і значній кількості сплавів. 1986 -1987 були відкриті високотемпературні надпровідники. їхній опір пере ворюється на нуль за т температури 100 К.

Явище надпровідності широко використовується в науці й техніці. Наприклад, надпровідні матеріали застосовують для одержання сильних магнітних полів. Якщо обмотку полів електромагніту виготовити з надпровідного провідника, то сила струму в обмотці досягає великих значень і, відповідно, електромагніт створює сильне магнітне поле. Практичне застосування надпровідності безупинно розширюється. Особливо великі надії покладаються на використання високотемпературних надпровідників.