Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Prąd elektryczny w metalach to uporządkowany ruch swobodnych elektronów. Przeczytaj więcej na ten temat w dalszej części naszego artykułu.
Ważne, aby wiedzieć
Jak wiesz, prąd elektryczny to uporządkowany przepływ nośników ładunku elektrycznego. Nośniki to naładowane cząstki, które mogą swobodnie poruszać się po całym ciele.
W przypadku metali cząstkami tymi są elektrony, które są uwalniane, gdy tworzy się wiązanie między atomami metalu.
Wiadomo, że metale w stanie stałym mają budowę krystaliczną. Cząsteczki w kryształach ułożone są w określonej kolejności, tworząc przestrzenną siatkę (kryształ).
Wreszcie sieć krystaliczną metalu tworzą dodatnie jony zanurzone w „chmurze” losowo poruszających się tzw. elektronów swobodnych, zwanych też elektronami przewodzącymi. W zależności od wartościowości atomów metalu, jeden atom może uwolnić od jednego do trzech elektronów podczas tworzenia wiązań metalicznych. Liczba takich uwolnionych elektronów przekłada się bezpośrednio na liczbę nośników ładunku. Jest to jeden z czynników wpływających na zdolność metalu do przewodzenia prądu.
Dowodem na to, że prąd w metalach jest powodowany przez elektrony, były eksperymenty naszych rodzimych fizyków Leonida Izaakowicza Mandelstama i Nikołaja Dmitriewicza Papaleksiego, a także fizyków amerykańskich Balfoura Stewarta i Roberta Tolmana.
Zdolność metalu do przewodzenia prądu elektrycznego można opisać wielkością fizyczną zwaną opornością elektryczną. Ta wielkość fizyczna jest oznaczona grecką literą ρ (czytaną jako „ro”).Jednostką rezystywności jest Ohm m, tj. om produktu na metr. Rezystywność jest stałą, która charakteryzuje materiał i ma różne wartości dla różnych materiałów. Na przykład rezystywność miedzi wynosi 1,7210-8Ohm m. Oznacza to, że opór elektryczny przewodnika miedzianego o długości 1 metra i polu przekroju 1 m wynosi 1,7210-8 Om . Ogólnie rzecz biorąc, im niższy opór właściwy materiału, tym lepiej przewodzi on prąd.
Poniższa tabela pokazuje kilka przykładów rezystywności powszechnie stosowanych metali.
| Metal | Rezystywność (om-m) |
| Srebro | 1.5910-8 |
| Miedź | 1.7210-8 |
| Aluminium | 2.8210-8 |
| Wolfram | 5.610-8 |
| Żelazo | 1010-8 |
Opór elektryczny można powiązać z mikroskopijnymi właściwościami materiału. W szczególności zależy to od koncentracji nośników ładunku i ich ruchliwości.
Ruch swobodnych elektronów w metalach nie jest do końca „swobodny”, ponieważ podczas swojego ruchu oddziałują one z innymi elektronami, a przede wszystkim z jonami sieci krystalicznej. Specyfikę tego ruchu opisuje tzw. klasyczny model przewodnictwa.
Główne założenia i wnioski tego modelu przedstawiono w dużym uproszczeniu poniżej.
Klasyczny model przewodnictwa
Bez zewnętrznego pola elektrycznego elektrony wykonują chaotyczne ruchy termiczne, zderzając się ze sobą, a także zderzając się z jonami sieci krystalicznej. W wyniku takiego ruchu średnia pozycja elektronów praktycznie się nie zmienia (patrz rys. 1).
Ryż. 1. Przykład trajektorii elektronu podczas jego chaotycznego ruchu termicznego w metalu
Dzięki efektom kwantowym, a w szczególności zasadzie wykluczenia Pauliego, która uniemożliwia wszystkim elektronom zajęcie najniższego stanu energetycznego, średnia prędkość elektronów w metalach, związana z ich przypadkowym ruchem termicznym, jest większa niż prędkość cząstek w klasycznym gazie doskonałym o tej samej temperaturze. To około 10 m/s.
Jeżeli do końcówek przewodu o długości L przyłożymy napięcie elektryczne U, to pojawi się w nim pole elektryczne o natężeniu E=U / L
Pod działaniem tego zewnętrznego pola, zgodnie z drugą zasadą dynamiki, elektrony przyspieszają: a=F/m,
gdzie F=eE to siła, z jaką pole elektryczne działa na elektron o ładunku e. Zatem przyspieszenie elektronu wynosi: a=eE / m .
Przyspieszony ruch elektronu trwa dość krótko, zanim zderzy się on z jonemsieci krystalicznej.W wyniku takiego zderzenia elektron traci prawie całą swoją energię kinetyczną. Jednak spowolniony elektron nie pozostaje w spoczynku - ponownie przyspiesza pod wpływem pola elektrycznego, ponownie zderza się z jednym z jonów z jonu sieci krystalicznej i tak dalej. Efekt ten dodaje do prędkości ruchów termicznych dodatkową skierowaną średnią prędkość u, która z powodu ujemnego ładunku elektronu ma kierunek przeciwny do natężenia zewnętrznego pola elektrycznego. Ta prędkość jest nazywana średnią prędkością dryfu (Rysunek 2).
Ryż. 2. Dryf elektronów pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego
Prąd elektryczny zaczyna płynąć w przewodniku o natężeniu I (patrz rysunek 3).
Ryż. 3. Dryfujące elektrony zderzają się z jonami sieci krystalicznej
Zakładając, że ruch elektronu między zderzeniami z jonami sieciowymi przyspiesza jednostajnie, z przyspieszeniem a=eE / m , oraz zakładając, że elektron w wyniku zderzenia przekazuje całą swoją energię kinetyczną sieci krystalicznej, możemy obliczyć prędkość, z jaką rozwija się elektron w jego swobodnym ruchu: v=aτ .We wzorze tym τ jest średnim odstępem czasu między kolejnymi zderzeniami dryfującego elektronu z jonami sieci krystalicznej.
Ponieważ w ruchu jednostajnie przyspieszonym bez prędkości początkowej prędkość średnia jest średnią arytmetyczną prędkości początkowej (równej zero) i końcowej, więc otrzymujemy: u=v / 2=eEτ / 2m .
Z otrzymanego wzoru wynika, że prędkość dryfu, oprócz zewnętrznego pola elektrycznego, określa średni odstęp czasu między zderzeniami elektronów z jonami sieci. Parametr ten zależy od wielu czynników (m.in. temperatury, struktury krystalicznej metalu, defektów w strukturze krystalicznej, zanieczyszczeń) i jak się okazuje znacząco wpływa na rezystancję elektryczną materiału.
Średnia prędkość dryfu elektronów wynosi około 10-4m/s. Jest bardzo mała w porównaniu z prędkością ruchu termicznego, która wynosi około 106 m/s.
Klasyczna teoria przewodnictwa dość dobrze opisuje zjawisko przewodnictwa elektrycznego w metalach. Teoria ta nie może jednak wyjaśnić obserwowanej eksperymentalnie zależności oporu elektrycznego od temperatury.
Przyczyną wspomnianej porażki klasycznej teorii przewodnictwa jest to, że nie uwzględnia ona wpływu jonów sieciowych na ruch elektronów między zderzeniami. Bardziej realistyczne wyniki daje kwantowa teoria przewodnictwa, która opisuje elektrony jako cząstki podlegające statystyce kwantowej, poruszające się w okresowym polu elektrycznym tworzonym przez dodatnie jony sieci.
Wnioski prostym językiem
Bezwzględna wartość ładunku ujemnego wszystkich wolnych elektronów jest równa dodatniemu ładunkowi wszystkich jonów sieci. Dlatego w normalnych warunkach metal jest elektrycznie obojętny. Swobodne elektrony w nim poruszają się losowo. Ale jeśli w metalu powstanie pole elektryczne, wówczas swobodne elektrony zaczną poruszać się w kierunku pod działaniem sił elektrycznych. Będzie prąd elektryczny. Równocześnie zachowany jest przypadkowy ruch elektronów, tak jak zachowany jest przypadkowy ruch w stadzie muszek, które pod wpływem wiatru porusza się w jednym kierunku.
« Szybkość ruchu samych elektronów w przewodniku pod wpływem pola elektrycznego jest niewielka - kilka milimetrów na sekundę, a czasem nawet mniej. Ale gdy tylko w przewodniku pojawi się pole elektryczne, rozchodzi się ono na całej długości przewodnika z ogromną prędkością bliską prędkości światła w próżni (300 000 km / s). »
Peryshkin AV Physics 8. - M .: Drop, 2010
Dla przykładu sygnał elektryczny wysłany np. przewodowo z Moskwy do Władywostoku (s=8000 km) dociera tam w około 0,03 s.
Jednocześnie z propagacją pola elektrycznego, wszystkie elektrony zaczynają poruszać się w tym samym kierunku na całej długości przewodnika. Na przykład, gdy obwód lampy elektrycznej jest zamknięty, elektrony w spirali lampy również poruszają się w uporządkowany sposób.
Porównanie prądu elektrycznego do przepływu wody w instalacji wodno-kanalizacyjnej i propagacji pola elektrycznego do propagacji ciśnienia wody pomoże nam to zrozumieć.Gdy woda podniesie się do zbiornika wody, ciśnienie (ciśnienie) wody bardzo szybko rozchodzi się po całym systemie zaopatrzenia w wodę. Gdy odkręcamy kran, woda jest już pod ciśnieniem i od razu zaczyna płynąć. Ale woda, która była w kranie, płynie, a woda z wieży dociera do kranu znacznie później, ponieważ woda porusza się wolniej niż ciśnienie.
Gdy mówią o prędkości rozchodzenia się prądu elektrycznego w przewodniku, mają na myśli prędkość rozchodzenia się pola elektrycznego wzdłuż przewodnika.