Презентація на тему:
Електричний струм в металах

Електричний струм - це упорядкований рух заряджених частинок. Напрямок електричного струму співпадає з напрямком руху позитивних зарядів.

Наявність вільних носіїв заряду; Наявність різниці потенціалів (електричного поля); Наявність сторонніх сил, які підтримують різницю потенціалів і переміщують заряд по замкненому контуру.

На які види поділяються речовини за здатністю проводити електричний струм? Провід-ники Діелек-трики

Провідники – це речовини, що мають вільні заряди, тобто проводять електричний струм Приклади: метали, грунт, розчини лугів і кислот у воді, графіт, тіло людини, тварини

Діелектрики – це речовини, що не мають вільних заряджених частинок, тобто не проводять електричний струм Приклади: ебоніт, янтар, смола, порцеляна, гума, пластмаса, шовк, капрон та інші

Сила струму

Розглянемо мідний провідник з поперечним перерізом S, по якому проходить струм

Обчислимо концентрацію електронів у провіднику об‘ємом 1 м3 Концентрація електронів дорівнює концентрації атомів (оскільки на 1 атом припадає 1 електрон ) n=8,4х1028m-3

Обчислимо відношення заряду електрона до його маси e/m (питомий заряд) e = 1,6 х 10-19 Кл m= 9,1 х 10-31 кг e/m = 1,76 х 10 11 Кл/кг

Якщо в періодичній системі елементів Менделєєва провести діагональ від берилію до астату, то праворуч вгорі від діагоналі будуть елементи-неметали а ліворуч унизу – елементи-метали. Елементи, розташовані поблизу діагоналі мають амфотерні властивості.         Таким чином із 107 елементів 85 – метали. Але такий поділ досить умовний. Наприклад, цинк, алюміній за фізичними властивостями метали, але вони утворюють сполуки (цинкати, алюмінати), в яких вони проявляють неметалічні властивості. 

Для металів характерний металічний тип зв’язку, суть якого полягає в тому, що атоми металів легко віддають зовнішні електрони, які переміщуються вільно по всій масі шматка металу. Атоми металів, що віддали електрони, стають позитивно зарядженими іонами. Останні притягують до себе електрони, що вільно рухаються. Одночасно інші атоми металу також віддають електрони. Отже, всередині шматка металу постійно циркулює “електронний газ”, який міцно зв’язує між собою всі атоми металу. Такий особливий тип хімічного зв’язку обумовлює фізичні та хімічні властивості металів. Іони розміщуються шарами у певному порядку один відносно одного, утворюючи певний тип кристалічної ґратки. 

Газ вільних електронів у кристалічній решітці металу

    Німецький фізик П. Друде 1900 р. створив теорію електропровідності металів: вільні електрони в металі ведуть себе, як молекули ідеального газу; “електронний газ” підлягає законам ідеального газу; рух вільних електронів у металі підлягає законам класичної механіки Ньютона; вільні електрони в процесі їх хаотичного руху взаємодіють не між собою, а з іонами кристалічної решітки; при співударах з іонами кристалічної ґратки електрони передають іонам усю свою кінетичну енергію.

Фізичні властивості металів Властивості металів зумовлені насамперед особливостями будови кристалічних ґраток металів, міцністю зв’язку, будовою атомів. До таких властивостей металів належать: Твердість Температура плавлення Густина

Найважливішою фізичною характеристикою металічного стану є електрична провідність. Вона зумовлена наявністю рухливих електронів у кристалічній ґратці металів. Тому метали відносять до провідників І роду. За звичайних умов найкращу електропровідність має срібло, на другому місці – мідь, далі – алюміній. Метали з високою електропровідністю мають і високу теплопровідність, яка також пояснюється можливістю переміщення електронів.

У 1899 р. К. Рікке на трамвайній підстанції у Штутгарті вмикав у головний провід, яким подавалося живлення трамвайним лініям, послідовно три металевих циліндри, тісно притиснутих один до одного торцями: два крайніх — мідних, а середній — алюмінієвий. Через ці циліндри понад рік проходив електричний струм. У результаті точного зважування виявилося, що дифузія вметалах не відбулася: в мідних циліндрах не було атомів алюмінію і навпаки.Таким чином, К. Рікке довів, що під час проходження провідником електричного струму йони не переміщуються, а в різних металах переміщуються лише електрони. Отже, електричний струм у металевих провідниках створюється впорядкованим рухом електронів. Отже, заряд в металах переноситься не іонами.

Дослід Мандельштама-Папалексі  Л. І. Мандельштам і М. Д. Папалексі, 1913 р.     

Ідея досліду зводилась до виявлення електричного струму при раптовій зупинці провідника, який швидко рухається Дротяна котушка L замкнута на телефон. Змінний струм, який виникав, короткочасно викликав звук у телефонній трубці.      Отже, дослід підтвердив існування інерційного руху носіїв заряду.

Дослідженнями, що стосуються електронної провідності металів, займався український вчений А. Е. Малиновський (1884–1937). Він представив свою інтерпретацію взаємодії вільних електронів і позитивних йонів у металах. Зробив уточнення до теорії дослідів, які виконали у 1916 р. американський фізик Р. Толмен і шотландський фізик Б. Стюарт.

Визначаючи за допомогою гальванометра заряд, що проходить через нього за весь час існування струму в колі, вчені визначили питомий заряд q0/m носіїв струму в металі. Він дорівнює 1,8·1011 Кл/кг. Це відношення збігається зі значенням e/m для електронів, знайденим за відхиленням пучка електронів у магнітному полі. Таким чином, було доведено, що електричний струм у металах є впорядкованим рухом вільних електронів.

Довести чи спростувати твердження: “Електричний струм в металах – це впорядкований рух електронів”. Визначимо зв’язок між швидкістю впорядкованого руху електронів у металі. Розглянемо мідний провідник перерізом 1 мм2, по якому проходить струм 1 А.     

Концентрація електронів у мідному провіднику n =  8,5·10 28 м-3.

   Отже, швидкість впорядкованого руху електронів становить лише долі сантиметра за секунду.     Оцінимо швидкість хаотичного руху електронів в провіднику, вважаючи електронний газ газом, для якого справедливим є рівняння стану ідеального газу       При t=270С    Т = 300 К:     Отже, швидкість хаотичного руху електронів у мільярд разів більша за швидкість впорядкованого руху. Це означає, що строго впорядкований рух електронів уздовж провідника не можна вважати електричним струмом. Під дією електричного поля електрони, рухаючись хаотично, поступово зміщуються по провіднику (здійснюється дрейфовий рух електронів). 

Електронна теорія провідності Друде була занадто спрощеною, оскільки в ній вважалося, що всі електрони мають однакові за модулем швидкості. Але в електронному газі, як і в будь-якому газі має існувати певний розподіл електронів за швидкостями. Вони мають підкорятися певній статистиці. Лоренц удосконалив теорію Друде, застосувавши до електронного газу статистику Максвела – Больцмана. Але з’ясувалося, що за експериментальними даними більш точна теорія менше збігається з експериментом.

Теорія Друде – Лоренца не змогла пояснити низку експериментально встановлених закономірностей для металів. Виникли труднощі у визначенні середньої довжини вільного пробігу електронів у металі. Для того, щоб отримати значення питомої електропровідності, яка відповідає експериментальним даним, потрібно припустити, що електрон без стикань з іонами решітки проходить сотні міжвузлових відстаней. Це не збігається з припущеннями класичної теорії електропровідності. Найбільші труднощі виникли з теплоємністю металів. Молярна теплоємність металів за звичайних температур мало відрізняється від молярної теплоємності діелектриків , причому внутрішня енергія електронного газу не змінюється при його награванні, що суперечить класичній теорії. Тільки квантова теорія металів, створена Зоммерфельдом (1928) змогла пояснити всі властивості електронного газу.