Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов. Более подробно об этом читайте далее в нашей статье.
Важно знать
Как известно, электрический ток — это упорядоченный поток носителей электрического заряда. Носители — это заряженные частицы, способные свободно перемещаться во всем объеме тела.
В случае металлов этими частицами являются электроны, которые высвобождаются при образовании связи между атомами металла.
Известно, что металлы в твердом состоянии имеют кристаллическую структуру. Частицы в кристаллах расположены в определенном порядке, образуя пространственную решетку (кристалл).
Наконец, кристаллическая решетка металла образована положительными ионами, погруженными в «облако» хаотически движущихся так называемых свободных электронов, также называемых электронами проводимости. В зависимости от валентности атомов металла, один атом может освободить от одного до трех электронов при образовании металлических связей. Число таких высвобожденных электронов непосредственно переводится в число носителей заряда. Это является одним из факторов, влияющих на способность металла проводить электрический ток.
Как решать 1 задание из ЕГЭ по химии 2022 на электронные конфигурации. Алгоритмы решения
Доказательством того, что ток в металлах вызывается электронами, послужили эксперименты наших отечественных физиков Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси, а также американских физиков Бальфура Стюарта и Роберта Толмана.
Способность металла проводить электрический ток может быть описана физической величиной, называемой удельным электрическим сопротивлением. Эта физическая величина обозначается греческой буквой ρ (читается как «ро»). Единицей измерения удельного сопротивления является Ом · м, т.е. произведение Ом на метр. Удельное сопротивление — это константа, которая характеризует материал и имеет различные значения для разных материалов. Например, удельное сопротивление меди составляет 1.72*10 -8 Ом · м. Это означает, что электрическое сопротивление медного проводника длиной 1 метр и площадью поперечного сечения 1 м равно 1.72*10 -8 Ом . В целом, чем ниже удельное сопротивление материала, тем лучше он проводит электрический ток.
В таблице ниже приведены некоторые примеры удельного сопротивления часто используемых металлов.
| Металл | Удельное сопротивление (Ом · м) |
| Серебро | 1.59*10 -8 |
| Медь | 1.72*10 -8 |
| Алюминий | 2.82*10 -8 |
| Вольфрам | 5.6*10 -8 |
| Железо | 10*10 -8 |
Удельное электрическое сопротивление может быть связано с микроскопическими свойствами материала. В частности, он зависит от концентрации носителей заряда и их подвижности.
Движение свободных электронов в металлах не является полностью «свободным», поскольку во время их движении они взаимодействуют с другими электронами, и прежде всего с ионами кристаллической решетки. Специфика этого движения описывается так называемой классической моделью проводимости.
Урок 294. Основы электронной теории электропроводности металлов
Основные предположения и выводы этой модели представлены в большом упрощении ниже.
Классическая модель проводимости
Без внешнего электрического поля электроны совершают тепловые хаотические движения, сталкиваясь друг с другом, а также сталкиваясь с ионами кристаллической решетки. В результате такого движения среднее положение электронов практически не меняется (см. рис. 1.).
Из-за квантовых эффектов, и в частности из-за принципа запрета Паули, который не позволяет всем электронам занимать самое низкое энергетическое состояние, средняя скорость электронов в металлах, связанная с их хаотическим тепловым движением, больше, чем скорость частиц в классическом идеальном газе той же температуры. Она составляет порядка 10 м/с.
Если электрическое напряжение U приложено к концам проводника длиной L в нем появится электрическое поле с напряженностью E = U / L
Под действием этого внешнего поля, согласно второму закону динамики, электроны ускоряются: a = F / m,
где F = e*E — сила, с которой электрическое поле действует на электрон с зарядом e. Таким образом, ускорение электрона составляет: a = e*E / m .
Ускоренное движение электрона длится лишь довольно короткое время, пока он не столкнется с ионом
кристаллической решетки. В результате такого столкновения электрон теряет практически всю свою кинетическую энергию. Однако замедленный электрон не остается в состоянии покоя — он снова ускоряется под действием электрического поля, снова сталкивается с одним из ионов из ионы кристаллической решетки и т.д.
Этот эффект добавляет к скорости тепловых движений дополнительную направленную среднюю скорость u, которая из-за отрицательного заряда электрона имеет направление, противоположное напряженности внешнего электрического поля. Эта скорость называется средней скоростью дрейфа (рис. 2).
В проводнике начинает течь электрический ток с силой тока I (см. рисунок 3).
Предполагая, что движение электрона равномерно ускоряется между столкновениями с ионами решетки, с ускорением a = e*E / m , и предполагая, что в результате столкновения электрон передает всю свою кинетическую энергию кристаллической решетке, мы можем вычислить скорость, которую развивает электрон в своем свободном движении: v = a*τ . В этой формуле τ — средний интервал времени между последующими столкновениями дрейфующего электрона с ионами кристаллической решетки.
Поскольку при равномерно ускоренном движении без начальной скорости средняя скорость является средним арифметическим начальной (равной нулю) и конечной скоростью, то получаем: u = v / 2 = e*E*τ / 2*m .
Из полученной формулы следует, что скорость дрейфа, помимо внешнего электрического поля, определяется средним интервалом времени между столкновениями электронов с ионами решетки. Этот параметр зависит от многих факторов (включая температуру, кристаллическую структуру металла, дефекты кристаллической структуры, примеси) и, как выясняется, существенно влияет на электрическое сопротивление материала.
Средняя дрейфовая скорость электронов составляет порядка 10 -4 м/с. Она очень мала по сравнению со скоростью теплового движения, которая составляет порядка 10 6 м/с.
Классическая теория проводимости достаточно хорошо описывает явление электропроводности в металлах. Однако эта теория не может объяснить экспериментально наблюдаемую зависимость электрического сопротивления от температуры.
Причина упомянутой неудачи классической теории проводимости заключается в том, что она не учитывает влияние ионов решетки на движение электронов между столкновениями. Более близкие к реальности результаты дает квантовая теория проводимости, которая описывает электроны как частицы, подверженные квантовой статистике, движущиеся в периодическом электрическом поле, создаваемом положительными ионами решетки.
Выводы простым языком
Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален. Свободные электроны в нём 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.
« Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля невелика — несколько миллиметров в секунду, а иногда и ещё меньше. Но как только в проводнике возникает электрическое поле, оно с огромной скоростью, близкой к скорости света в вакууме (300 000 км/c), распространяетcя по всей длине проводника. »
Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010
Как пример, электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s = 8000 км), приходит туда примерно через 0,03 с.
Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. Так, например, когда цепь электрической лампы замкнута, электроны в спирали лампы также движутся упорядоченно.
Сравнение электрического тока с потоком воды в водопроводной системе и распространения электрического поля с распространением давления воды поможет нам понять это. Когда вода поднимается в резервуар для воды, давление (напор) воды очень быстро распространяется по всей системе водоснабжения. Когда мы включаем кран, вода уже находится под давлением и сразу же начинает течь. Но вода, которая была в кране, течет, а вода из башни достигает крана гораздо позже, потому что вода движется с меньшей скоростью, чем распространяется давление.
Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.
Источник: www.asutpp.ru
Тест с ответами: «Ток в металлах»
1. В обычных условиях металлы электрически нейтральны. Это объясняется тем, что у них:
а) отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов +
б) число отрицательных ионов равно по абсолютному значению числу положительных ионов +
в) плохая электропроводимость
2. Электрический ток в металлах — это упорядоченное движение:
а) ионов
б) электронов +
в) протонов
3. Для того чтобы в проводнике возник электрический ток, необходимо:
а) наличие в нем электрических зарядов
б) иметь потребителя электрической энергии
в) создать в нем электрическое поле +
4. При прохождении тока через электролит положительно заряженные ионы перемещаются к:
а) катоду +
б) аноду
в) протону
5. Какое действие тока используется в электрических лампах:
а) магнитное
б) химическое
в) тепловое
6. За направление электрического тока условно принимают то направление, по которому движутся в проводнике:
а) электроны
б) положительные заряды +
в) положительные и отрицательные ионы
7. В каком году были обнаружены материалы, обладающие сверхпроводимостью при температурах около -100 градусов С:
а) 1980
б) 1987
в) 1986 +
8. Какими носителями электрического заряда создается ток в металлах:
а) только электронами +
б) ионами
в) электронами и ионами
9. Какое действие электрического тока сопровождает прохождение тока через металлы:
а) химическое
б) только магнитное
в) тепловое +
10. Какое действие электрического тока сопровождает прохождение тока через металлы:
а) химическое
б) магнитное +
в) только тепловое
11. Какое(ие) действия электрического тока всегда сопровождают его прохождение через любые среды:
а) магнитное +
б) химическое
в) тепловое
12. Какие еще (кроме свободных электронов) заряженные частицы имеются в металлах:
а) атомы
б) положительные ионы +
в) отрицательные ионы
13. Где они находятся в металлах:
а) в узлах кристаллической решетки +
б) каждый на определенном месте
в) на постоянном для каждого месте
14. Какое движение и каких частиц представляет собой электрический ток в металлах:
а) согласованное колебание ионов в узлах кристаллической решетки
б) упорядоченное смещение положительных ионов
в) упорядоченное (однонаправленное) движение свободных электронов +
15. Кристаллическая решетка металла, образуемая ионами, имеет положительный заряд. Почему же металлы электрически нейтральны:
а) потому что общий отрицательный заряд всех свободных электронов равен всему положительному заряду ионов +
б) потому что свободные электроны в металле, двигаясь хаотично, попадают на поверхность и экранируют положительный заряд решетки
в) потому что ионы сохраняют свое местоположение в твердом теле
16. При каком условии в металлическом проводнике возникает электрический ток:
а) при появлении в нем свободных электронов
б) при создании в нем электрического поля +
в) в случае перехода хаотического движения свободных электронов в упорядоченное движение
17. Какова скорость распространения электрического тока в цепи:
а) она равна скорости упорядоченного движения электронов в проводниках
б) она равна средней скорости хаотического движения электронов
в) она равна скорости распространения в цепи электрического поля +
18. Движение каких заряженных частиц в электрическом поле принято за направление тока:
а) электронов
б) частиц с положительным зарядом +
в) частиц с отрицательным зарядом
19. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику перенос вещества:
а) происходит редко
б) происходит
в) не происходит +
20. Ионы металла … участие в переносе электрического заряда:
а) принимают
б) не принимают +
в) принимают периодически
21. Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с:
а) инерцией электронов +
б) инерцией ионов
в) инерцией протонов
22. Идея таких опытов и первые качественные результаты (1913 г.) принадлежит русскому физику:
а) Попову
б) Папалекси +
в) Ватутину
23. Идея таких опытов и первые качественные результаты (1913 г.) принадлежит русскому физику:
а) Ватутину
б) Попову
в) Мандельштаму +
24. В этом году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения:
а) 1926
б) 1916 +
в) 1906
25. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг:
а) стержня
б) другой катушки
в) своей оси +
26. Высокочувствительный прибор для измерения силы малых постоянных электрических токов:
а) амперметр
б) гальванометр +
в) вольтметр
27. Еще в этом году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов:
а) 1900 +
б) 1910
в) 1890
28. Из-за взаимодействия с ионами электроны могут:
а) оставаться в металле надолго
б) притянуть другой металл
в) покинуть металл +
29. Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в:
а) тепловом движении +
б) электрическом движении
в) постоянном движении
30. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального(ой):
а) жидкости
б) газа +
в) вещества
Источник: liketest.ru
Электрический ток в металлах
Электрическим током в физике называется согласованное (упорядоченное, однонаправленное) перемещение электрически заряженных элементарных частиц (электронов, протонов, ионов) или заряженных макроскопических частиц (например, капель дождя во время грозы). В веществах, находящихся в различных агрегатных состояниях (твердое тело, жидкость, газ) ток может формироваться из разного набора заряженных частиц. Рассмотрим механизм образования электрического тока в металлах.
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.
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.
Опыт Мандельштама и Папалекси
Электронную природу тока в металле первыми экспериментально доказали российские физики Мандельштам и Папалекси в 1913 г. Для того, чтобы выяснить, какие частицы создают электрический ток в металлах, они — без подключения внешнего источника — регистрировали ток в катушке из металлического провода, которую сначала сильно раскручивали вокруг собственной оси, а затем резко останавливали. Поскольку у электрона есть масса, то он должен подчиняться закону инерции. Поэтому в момент остановки атомы решетки останутся на месте, а свободные электроны по инерции, какое-то время, продолжат движение в прежнем направлении. То есть в цепи должен появиться электрический ток. Эксперименты подтвердил это предположение — после остановки катушки исследователи регистрировали бросок тока в цепи.
Этот эксперимент в 1916 г. повторили американцы Стюарт и Толмен. Им удалось повысить точность измерений и получить отношение заряда электрона eэ к значению массы электрона mэ:
Этот фундаментальный результат совпал с полученными данными из других экспериментов, поставленных на основе измерения других параметров. Впервые эту величину в 1897 г. измерил англичанин Джозеф Томсон по отклонению пучка электронов в зависимости от напряженности электрического поля.
Скорость распространения электрического тока
Скорость распространения электрического поля в металле близка к скорости света в вакууме, которая равна 300000 км/с. Но это не значит, что электроны внутри вещества двигаются с такой же скоростью. Для проводника с площадью поперечного сечения S = 1 мм 2 при силе тока I = 1 A скорость упорядоченного движения электронов равна v = 6*10 -5 м/с. То есть за одну секунду электроны в проводнике за счет упорядоченного движения проходят всего 0,06 мм.
Такие малые значения скоростей движения электронов в проводниках не приводят к запаздыванию включения электрических ламп, включения бытовых приборов и т.д., так как при подаче напряжения вдоль проводов со скоростью света распространяется электрическое поле. Эта скорость настолько велика, что позволяет приводить в движение свободные электроны практически мгновенно во всех проводниках электрической цепи.
Применение свойств электрического тока в металлах
Физические свойства электрического тока используются в различных областях жизнедеятельности:
- Способность электрического тока нагревать проводники используется для изготовления нагревательных бытовых и промышленных приборов;
- Вокруг провода с электрическим током возникает магнитное поле, что позволило создать электродвигатели, без которых сегодня невозможно обойтись;
- Передача электроэнергии на различные расстояния осуществляется по проводам линий электропередачи (ЛЭП), по которым течет электрический ток.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что электрический ток в металлах создается упорядоченным движением свободных электронов. Экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создают электроны, впервые получили российские физики Мандельштам и Папалекси. Физические свойства электрического тока в металлах позволили создать большое количество бытовых и промышленных устройств.
Источник: obrazovaka.ru