Возникновение, природа и применение электрического тока в металлах

Электрончики на службе

Способность твёрдых металлов передавать электрический ток стала очень востребована, так как во время этого процесса происходят дополнительные, полезные явления. Например, вокруг проводника с протекающим по нему током возникает магнитное поле.

Это свойство назвали магнетизм и применили его для:

  1. Изобретения электрического двигателя. Впоследствии разработали множество модификаций этой машины. Сейчас они помогают человеку и на производстве, и в быту.
  2. Создания электромагнитов. По этому принципу работает водяной насос «ручеёк». В его «теле» перемещается в изменяющемся магнитном поле металлический сердечник с закреплённой на конце мембранной. Или другой пример: кран с мощным электромагнитом.
  3. Трансформации напряжения. Магнетизм и электрический ток не могут существовать друг без друга. Вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Так же и наоборот: если поместить проводник в изменяющееся магнитное поле, то на его концах возникнет разность потенциалов. Это свойство послужило для создания трансформатора. Зачем он нужен? Например, чтобы зарядить телефон. В сетевой розетке есть 220 В, а для заряда батареи надо только 5,5. Вот тут и пригодится электрическая схема на основе понижающего трансформатора. Если разобрать старую, тяжёлую телефонную «зарядку», то можно его там увидеть. Другой такой агрегат, только очень большой, постоянно гудит в своей будке, построенной почти в каждом городском дворе. Он подаёт в квартиры «положенные по прейскуранту» вольты.

Другое свойство, проявляющееся при движении электронов по проводнику — это нагрев. Формула Джоуля-Ленца гласит, что нагрев проводника (Q) прямо пропорционален произведению квадрата проходящего по нему тока (I), величины его сопротивления и времени (t). И выглядит это так: Q=I²R.

Такому полезному явлению человечество сразу нашло применение. Например, за окном трещит мороз, а в квартире пол с электрическим подогревом. Класс! А как приятно осознавать, что окончание написания конспекта задания не за горами, и на электроплите уже закипает чайник. Да, нагревательные приборы не поражают своей однотипностью. Вот основные из них: стиральная машина, утюг, плойка, лампа накаливания, тостер, кофеварка, электрочайник и т. д. Это только в быту, не меньше их и в производстве. Называть все займёт много времени.

https://youtube.com/watch?v=Dnq454iKYbk

Из чего состоит ток (свойства)?

Движение заряженных частиц по цепи обуславливает проявление следующих электрических свойств:

  • Тепловых. При движении заряженных частиц по проводнику (полупроводнику), его температура повышается. Данное явление лежит в основе работы нагревательных приборов (плиты, обогреватели, чайники и др.). Количество образовавшейся тепловой энергии зависит от напряжения на данном участке цепи, времени протекания самого тока и подчиняется закону Джоуля-Ленца.
  • Химических. Электролиты, имеющие в своем составе положительные ионы, проходят через процесс электролиза. Он представляет собой процесс окислительно-восстановительного характера, происходящего на электродах в процессе движения заряженных частиц сквозь раствор или расплав. К положительно заряженному аноду, в результате электролиза, присоединяются анионы с отрицательным зарядом, к отрицательному катоду притягивается положительный катион. Таким образом, вещества, которые присутствуют в электролите после электролиза выделяются на электродах источника электричества.

Электролиз

Магнитных. При прохождении заряда сквозь проводник, вокруг него возникает пространство магнитного характера. Проводник характеризуется магнитными свойствами. Если вблизи от него находится, например, стрелка компаса, она примет положение перпендикулярное проводящему предмету. Первым ученым, наблюдавшим магнитные свойства, стал Эрстед в 1820 году, а цифровые закономерности этого процесса установил Ампер.

Магнитное поле проводника

  • Световых. Ярким примером проявления подобных свойств является лампа накаливания. Ее нагревательный элемент в виде спирали, в результате прохождения по ней тока, нагревается и начинает светиться белым светом. На долю световой энергии приходится 5% от общего количества электроэнергии, остальная превращается в тепло.
  • Механических. Любой проводник, после прохождения по нему заряженных частиц, отмечается наличием вокруг себя магнитного поля. Магнитные действия преобразовываются в движения. Явление нашло применение в реле, электродвигателях, магнитных подъемниках и других устройствах. Механические свойства объясняются законом Ампера, который был сформулирован еще в 1820 году.

Важно! Исходя из выше изложенной информации, можно сделать вывод, что ток может обеспечивать различного рода воздействия, которые проявляют себя как по отдельности, так и в комбинациях

Физика А.В. Перышкин

1.Как объяснить, что в обычных условиях металл электрически нейтрален?

В обычных условиях металл электрически нейтрален, поскольку отрицательный заряд всех свободных электронов по модулю равен положительному заряду всех ионов кристаллической решетки.

2. Что происходит с электронами металла при возникновении в нём электрического поля?

При возникновении в металле электрического поля свободные электроны начинают двигаться направленно под действием электрических сил, так возникает электрический ток.

3. Что представляет собой электрический ток в металле?

Электрический ток в металле представляет собой упорядоченное движение свободных электро¬нов.

4. Какую скорость имеют в виду, когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике?

Скорость распространения электрического тока в проводнике практически близка к скорости света в вакууме (300 000 км/с) — это скорость распространения электрического поля по всей длине проводника, хотя скорость движения собственно электронов мала — несколько миллиметров в секунду.

10.

Электрическая проводимость в металлах

Проектную работу выполнили ученицы 11.1 класса Клеопатрова Екатерина, Сафронова Дарья и Дадаева Лейла.

Опыты

А) немецкий физик Карл Рикке проводил опыт по пропусканию тока в 0,1 А в течении года через три отполированных цилиндра: одного алюминиевого и двух медных. По истечению эксперимента (а за это время по цепи прошел огромный заряд) никаких изменений в структуре цилиндров не произошло, за исключением небольшой диффузии. А если бы носителями заряда были не электроны, а ионы, то тогда был бы перенос вещества одного цилиндра в вещество другого, и, конечно же, в результате столь длительного эксперимента, химическое строение цилиндров изменилось бы.

Гипотеза

Электрический ток в металлах обуславливается упорядоченным движением свободных электронов. Положительно заряженные ионы не принимают участия в переносе заряда.

Носители заряда

Кристаллическая решетка металла состоит из положительных ионов, которые расположены в узлах решетки, и электронов, которые свободно передвигаются между узлами. Свободные электроны беспорядочно двигаются по кристаллу. При этом сумма положительных зарядов ионов решетки равняется суммарному отрицательному заряду свободных электронов, металл остается незаряженным, или электронейтральным.

Вольт-амперная характеристика

Из закона Ома для участка цепи I = U/R следует, что вольт-амперная характеристика металлов – прямая линия I0/U0 = 1/R.

R(T) и p(T)

Удельное сопротивление, а следовательно, и сопротивление металлов, зависит от температуры, увеличиваясь с ее ростом. Температурная зависимость сопротивления проводника объясняется тем, что 1. возрастает интенсивность рассеивания (число столкновений) носителей зарядов при повышении температуры; 2. изменяется их концентрация при нагревании проводника. Зависимости удельного сопротивления и сопротивления проводника от температуры выражаются формулами: ρt=ρ0(1+αΔT) Rt=R0(1+αΔT) где ρ0, ρt — удельные сопротивления вещества проводника соответственно при T0 К и T К; R0, Rt — сопротивления проводника при T0 К и T К, α — температурный коэффициент сопротивления: измеряемый в СИ в Кельвинах в минус первой степени (К^-1)

Сверхпроводимость

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.

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.

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

Трудность достижения сверхпроводимости: — необходимость сильного охлаждения вещества

Область применения: — получение сильных магнитных полей; — мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в ускорителях и генераторах.

В настоящий момент в энергетике существует большая проблема — большие потери электроэнергии при передаче ее по проводам.

Возможное решение проблемы: при сверхпроводимости сопротивление проводников приблизительно равно 0 и потери энергии резко уменьшаются.

Доп. формулы и законы

´ После качественного подтверждения зависимости сопротивления от температуры была получена количественная зависимость. После ряда экспериментов было выяснено, что относительное приращение сопротивления прямо пропорционально абсолютному приращению температуры.

Применение электрического тока в металлах

Для передачи электрической энергии по металлическим проводам на линиях электропередач. Для передачи электронных импульсов в микропроцессорной технике. Для выработки тепловой энергии в электропечах различных типов (накаливания, индукционные, микроволновые, дуговые). Может использоваться как проводники для передачи электроэнергии, сердечник трансформатора для преобразования эл. энергии, трубы для предотвращения коррозии, спираль лампы для освещения, спираль ТЭНа для нагрева и другое.

Потенциальный барьер. Движение электронов в кристаллической решетке

После взаимодействия электронов с ионами первые покидают металл, преодолевая только потенциальный барьер.

Высота такого барьера получила название работы выхода.

Наличие комнатной температуры не позволяет электронам проходить этот барьер. Потенциальная энергия выхода электрона после взаимодействия с кристаллической решеткой намного меньше, чем при удалении электрона из проводника.

Расположение е в проводнике характеризуется наличием потенциальной ямы, глубина которой получила название потенциального барьера.

Ионы, образующие решетку, и электроны принимают участие в тепловом движении. Благодаря тепловым колебаниям ионов вблизи положений равновесий и хаотичному движению свободных электронов, при столкновении первых со вторыми происходит усиление термодинамического равновесия между электронами и решеткой.

По теории Друде-Лоренца имеем, что электроны имеют такую же среднюю энергию теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это делает возможным оценивание средней скорости υ т ¯ теплового движения электронов, используя молекулярно-кинетическую теорию.

Комнатная температура дает значение, равное 10 5 м / с .

Если наложить внешнее электрическое поле в металлический проводник, тогда произойдет тепловое упорядоченное движения электронов (электрический ток), то есть дрейф. Определение средней его скорости υ д ¯ выполняется по интервалу имеющегося времени ∆ t через поперечное сечение S проводника электронов, которые находятся в объеме S υ д ∆ t .

Количество таких е равняется n S υ д ∆ t , где n принимает значение средней концентрации свободных электронов, равняющейся числу атомов в единице объема металлического проводника. За имеющееся количество времени ∆ t через сечение проводника проходит заряд ∆ q = e n S υ д ∆ t .

Тогда I = ∆ q ∆ t = e n S υ д или υ д = I e n S .

Концентрация n атомов в металлах находится в пределах 10 28 – 10 29 м – 3 .

Формула дает возможность оценить среднюю скорость υ д ¯ упорядоченного движения электронов со значением в промежутке 0 , 6 – 6 м м / с для проводника с сечением 1 м м 2 и проходящим током в 10 А .

Средняя скорость υ д ¯ упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше скорости υ т их теплового движения υ д ≪ υ т .

Рисунок 1 . 12 . 3 демонстрирует характер движения свободного е , находящегося в кристаллической решетке.

Рисунок 1 . 12 . 3 . Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа υ д ¯ ∆ t сильно преувеличены.

Наличие малой скорости дрейфа не соответствует опыту, когда ток всей цепи постоянного тока устанавливается мгновенно. Замыкание производится при помощи воздействия электрического поля со скоростью c = 3 · 10 8 м / с . По прошествии времени l c ( l – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля. В ней происходит упорядоченное движение электронов.

Классическая электронная теория металлов предполагает, что их движение подчинено законам механики Ньютона. Данная теория характеризуется тем, что происходит пренебрежение взаимодействием электронов между собой, а взаимодействие с положительными ионами расценивается как соударения, при каждом из которых e сообщает накопленную энергию решетке. Поэтому принято считать, что после соударения движение электрона характеризуется нулевой дрейфовой скоростью.

Абсолютно все выше предложенные допущения приближенные. Это дает возможность объяснения законов электрического тока в металлических проводниках, основываясь на электронной классической теории.

Физика8 класс

§ 34. Электрический ток в металлах

Металлы в твёрдом состоянии, как известно, имеют кристаллическое строение. Частицы в кристаллах расположены в определённом порядке, образуя пространственную (кристаллическую) решётку.

В узлах кристаллической решётки металла расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся свободные электроны. Свободные электроны не связаны с ядрами своих атомов (рис. 53).

Рис. 53. Кристаллическая решётка металла

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.

Итак, электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.

Мандельштам Леонид Исаакович (1879—1944)
Российский физик, академик. Внёс существенный вклад в развитие радиофизики и радиотехники.

Папалекси Николай Дмитриевич (1880—1947)
Российский физик, академик. Занимался исследованиями в области радиотехники, радиофизики, радиоастрономии.

Доказательством того, что ток в металлах обусловлен электронами, явились опыты физиков нашей страны Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси, а также американских физиков Бальфура Стюарта и Роберта Толмена.

Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля невелика — несколько миллиметров в секунду, а иногда и еще меньше. Но как только в проводнике возникает электрическое поле, оно с огромной скоростью, близкой к скорости света в вакууме (300 000 км/с), распространяется по всей длине проводника.

Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. Так, например, при замыкании цепи электрической лампы в упорядоченное движение приходят и электроны, имеющиеся в спирали лампы.

Понять это поможет сравнение электрического тока с течением воды в водопроводе, а распространения электрического поля — с распространением давления воды. При подъёме воды в водонапорную башню давление (напор) воды очень быстро распространяется по всей водопроводной системе. Когда мы открываем кран, то вода уже находится под давлением и сразу начинает течь. Но из крана течёт та вода, которая была в нём, а вода из башни дойдёт до крана много позднее, так как движение воды происходит с меньшей скоростью, чем распространение давления.

Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.

Электрический ток в металлах

Электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s = 8000 км), приходит туда примерно через 0,03 с.

Вопросы

  1. Как объяснить, что в обычных условиях металл электрически нейтрален?
  2. Что происходит с электронами металла при возникновении в нём электрического поля?
  3. Что представляет собой электрический ток в металле?
  4. Какую скорость имеют в виду, когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике?

Электрический Ток в Газах

В газах существуют несамостоятельные и самостояг тельные электрические разряды.

Явление протекания электрического тока через газ, наблюдаемое только при условии какого-либо внешнего воздействия на газ, называется несамостоятельным электрическим разрядом. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией атома. Минимальная энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона от атома, называется энергией ионизации. Частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов одинаковы, называется плазмой.

Носителями электрического тока при несамостоятельном разряде являются положительные ионы и отрицательные электроны. Вольт-амперная характеристика представлена на рис. 54. В области ОАВ — несамостоятельный разряд. В области ВС разряд становится самостоятельным.

При самостоятельном разряде одним из способов ионизации атомов является ионизация электронным ударом. Ионизация электронным ударом становится возможна тогда, когда электрон на длине свободного пробега А приобретает кинетическую энергию Wk, достаточную для совершения работы по отрыву электрона от атома. Виды самостоятельных разрядов в газах — искровой, коронный, дуговой и тлеющий разряды.

Искровой разряд возникает между двумя электродами заряженными разными зарядами и имеющие большую разность потенциалов. Напряжение между разноименно заряженными телами достигает до 40 000 В. Искровой разряд кратковременный, его механизм — электронный удар. Молния — вид искрового разряда. В сильно неоднородных электрических полях, образующихся, например, между острием и плоскостью или между проводом линии электропередачи и поверхностью Земли, возникает особая форма самостоятельного разряда в газах, называемая коронным разрядом. Электрический дуговой разряд был открыт русским ученым В. В. Петровым в 1802 г. При соприкосновении двух электродов из углей при напряжении 40-50 В в некоторых местах возникают участки малого сечения с большим электрическим сопротивлением. Эти участки сильно разогреваются, испускают электроны, которые ионизируют атомы и молекулы между электродами. Носителями электрического тока в дуге являются положительно заряженные ионы и электроны. Разряд, возникающий при пониженном давлении, называется тлеющим разрядом. При понижении давления увеличивается длина свободного пробега электрона, и за время между столкновениями он успевает приобрести достаточную для ионизации энергию в электрическом поле с меньшей напряженностью. Разряд осуществляется электронно-ионной лавиной.

Силы тока. Единицы силы тока.

Действия
электрического тока могут проявляться
В разной степени — сильнее или слабее.
Опыты показывают, что интенсивность
(степень действия) электрического тока
зависит от заряда, про ходящего по цепи
в 1 с.

:Когда
свободная заряженная частица электрон
в металле или ион в растворе кислот,
солей или щелочей — движется по
электрической цепи, то вместе с ней
происходит и перемещение заряда. Чем
больше частиц переместится от одного
полюса источника тока к другому или
просто от одного конца участка цепи к
другому, тем больше общий заряд q,
перенесенный частицами.

Электрический
заряд, проходящий через поперечное
сечение проводника в 1 с, определяет
силу тока в цепи.

Значит,
сила тока равна отношению электрического
заряда q, прошедшего через поперечное
сечение проводника, ко времени его
прохождения t, т. е.

I=,
где 1 — сила тока.

На
Международной конференции по мерам и
весам в 1948 г. было решено в основу
определения единицы силы тока положить
явление взаимодействия двух проводников
С током. Ознакомимся сначала с этим
явлением на опыте.

На рисунке
59 изображены два гибких прямых проводника,
расположенных параллельно друг другу.
Оба проводника под соединены к источнику
тока. При замыкании цепи по проводникам
протекает ток, вследствие чего они
взаимодействуют — притягиваются или
отталкиваются, в зависимости от
направления токов в них.

Силу
взаимодействия проводников с током
можно измерить

Эта сила, как показывают
расчеты и опыты, зависит от длины
проводников, расстояния между ними,
среды, в которой находятся проводники,
и, что самое важное для нас, от силы
тока в проводниках. Если одинаковы
все условия, кроме силы токов, то, чем
больше сила тока в каждом проводнике,
тем с большей силой они взаимодействуют
между собой

Представим
теперь себе, что взяты очень тонкие и
очень длинные параллельные проводники.
Расстояние между ними 1 м, и находятся
они в вакууме. Сила тока в них одинакова.

За
единицу силы тока принимают силу тока,
при которой отрезки таких параллельных
проводников длиной 1 м взаимодействуют
с силой 2· 10ˉ⁷ Н (0,0000002 Н).

Эту единицу
силы тока называют ампером (А).
Так она названа в честь французского
ученого Андре Ампера.

Применяют
также дольные и кратные единицы силы
тока: миллиампер (мА), микроампер (мкА),
килоампер (кА).

1 мА = 0,001
А;

1 мкА =
0,000001 А;

1 кА =
1000А.

Чтобы
представить себе, что такое ампер, при
ведем примеры: сила тока в спирали лампы
карманного фонаря 0,25 А = 250 мА. В
осветительных лампах, используемых в
наших квартирах, сила тока составляет
от 7 до 400 мА (в зависимости от мощности
лампы).

Через
единицу силы тока — 1 А определяется
единица электрического заряда — 1 Кл.

Так как
I=
то q = It. Полагая 1 = 1 А, t = 1 с, получим
единицу электрического заряда — 1 Кл.

За
единицу электрического заряда принимают
электрический заряд, проходящий сквозь
поперечное сечение проводника при силе
тока 1 А за время 1 с.

Из формулы
q = It следует, что электрический заряд,
проходящий через поперечное сечение
проводника, зависит от силы тока и
времени его прохождения. Например, в
осветительной лампе, в которой сила
тока равна 400 мА, сквозь поперечное
сечение спирали за 1 мин проходит
электрический заряд, равный 24 Кл.

Электрический
заряд имеет также другое название —
количество электричества.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий