Care este curentul electric în metale

Bazele teoriei conducție electronice

La începutul secolului XX a fost creat teoria clasica a electronilor de conducție metalic (P. Drude, 1900 H.Lorents, 1904), care a dat o explicație simplă și clară a majorității proprietăților electrice și termice ale metalelor.

Luați în considerare unele dintre dispozițiile acestei teorii.

electroni liberi

Conductorul metalic cuprinde:

1) încărcat pozitiv ioni. oscilând în jurul poziției de echilibru, și

2) electroni liberi. sunt în măsură să se deplaseze în întregul volum al conductorului.

Astfel, proprietățile electrice ale metalelor datorită prezenței electronilor liberi în acesta într-o concentrație de aproximativ 10 28 m -3. care corespunde aproximativ concentrația atomilor. Acești electroni se numesc electroni de conducție. Ele sunt formate prin ruperea atomilor metalici ai electronilor de valență. Acești electroni nu aparțin nici un atom particular și se pot deplasa în jurul volumului corpului.

Metalul în absența unui câmp electric a electronilor de conducție muta aleatoriu si fata, de multe ori cu ioni cu zăbrele (Fig. 1). Totalitatea acestor electroni poate fi aproximativ privit ca un gaz de electroni supun legilor gazelor ideale. Viteza medie a electronilor mișcarea termică la temperatura camerei este de aproximativ 10 5 m / s.

Curentul electric din metale

rețea cristalină a ionilor metalici nu participă la stabilirea curent. Mișcarea lor atunci când curentul ar însemna transferul substanței de-a lungul conductorului, care nu se observă. De exemplu, în experimentele E. Riecke (1901), compoziția masei și chimică a conductorului nu este schimbat în timpul trecerii curentului în timpul anului.

• curentului electric în metale - este direcționat mișcarea de electroni liberi.

Deoarece un curent electric în metale formează electroni liberi, conductivitatea conductoarelor de metal numit conductivitate de electroni.

Curentul electric în metale se produce prin acțiunea unui câmp electric extern. Pe electronii de conducție în acest domeniu, o forță acționează electric, ea conferă accelerația îndreptată în direcția opusă câmpului vectorial. Ca urmare, electronii dobândesc o anumită viteză suplimentară (numită deplasare). Această rată crește până când electronul nu se ciocnesc cu rețeaua cristalină a atomului metalic. Atunci când astfel de coliziuni excesul de electroni își pierd energia cinetică, ionii trece-l. Apoi, din nou, electronii sunt accelerați de câmpul electric, ionii sunt frânate din nou etc. Viteza medie de drift a electronilor este foarte scăzută, aproximativ 10 -4 m / s.

• Viteza de propagare și viteza actuală derivă nu este același lucru. Rata de propagare a curentului este viteza de propagare a câmpului electric în spațiu, adică, 3⋅10 8 m / s.

• Într-o coliziune cu ionii de electronii de conducție parte din energia cinetică a ionilor, ceea ce conduce la o creștere a cristalului de energie zabrele de mișcare a ionilor și deci conductorul termic transmis.

Rezistența metalelor

Rezistența metalelor este explicată prin ciocniri de electroni și conducta cu ioni cu zăbrele. În acest caz, în mod evident, apar mai des astfel de coliziuni, adică. E. Mai puțin decât timpul liber medie între ciocniri de electroni τ, cu atat mai mare rezistivitatea metalului.

La rândul său, τ timpul depinde de distanța dintre ionii zabrele, amplitudinea vibrațiilor lor, natura interacțiunii electronilor cu ioni, electroni și viteza de mișcare termică. Odată cu creșterea temperaturii amplitudinii vibrațiilor de metal și viteza de mișcare a ionilor crește electronii termice. Aceasta crește numărul de defecte zăbrele. Toate acestea conduc la faptul că creșterea temperaturii metalului ciocnirilor electron-ion sunt mult mai probabil să apară, adică, timpul τ scade, iar rezistivitatea crește din metal.

A se vedea. În același

Rezistență în funcție de temperatură

Experiența arată că dependența la nu prea mare și nu prea scăzută temperatură a rezistivității de temperatură este exprimată printr-o funcție liniară:

\ Rho = \ rho_0 \ cdot (1 + \ alpha \ cdot \ Delta t), \)

unde t = At ​​- t0. t0 = 0 ° C, ρ0. ρ - rezistivitate substanțe conductor respectiv la 0 ° C și t ° C, α - coeficientul de temperatură al rezistivității, măsurată în SI în Kelvin grade minus prima (K-1) (sau ° C-1).

• Coeficientul de temperatură de material de rezistență - o valoare care este numeric egală cu modificarea relativă a rezistivității conductorului când este încălzit la 1 K:

\ (

Pentru toți conductorii metalici alfa> 0 și variază doar ușor cu temperatura. Pentru cele mai multe metale în intervalul de temperaturi de la 0 ° la 100 ° C, coeficientul α modificări la 3,3⋅10 -3 la 6,2⋅10 -3 K -1 (Tabelul 1). In metale chimic pure, α = 1/273 K -1.

• Există aliaje speciale, a căror rezistență nu se modifică în mod substanțial atunci când este încălzit, de exemplu, constantan și manganin. Coeficienții temperatura lor de rezistență sunt foarte mici și sunt, respectiv 1⋅10 -5 K -1 și 5⋅10 -5 K -1.

Coeficientul de temperatură al rezistenței (pentru t de la 0 ° C până la 100 ° C)

Dacă neglijăm metalic dimensiuni ale conductorului schimba la încălzire aceeași dependență liniară de temperatură și va avea rezistența

R_t = R_0 \ cdot (1 + \ alpha \ cdot \ Delta t), \)

Dependența rezistivitatea care p conductorilor metalici de temperatură t este prezentat în figura 2.

metalelor pe dependența de temperatură a rezistenței utilizat în termometre cu rezistență. De obicei, corpul termometrului termometrică ia sârmă de platină, dependența a căror rezistență la temperatură suficient studiate. La schimbările de temperatură este evaluată prin modificarea sârmă de rezistență, care poate fi măsurată. Aceste termometre vă permit să se măsoare temperaturi foarte scăzute și foarte ridicate, în cazul în care termometre lichide convenționale nu sunt adecvate.

supraconductibilitate

In 1911, fizicianul olandez H. Kamerlingh Onnes studiază schimbarea rezistenței electrice a mercurului, la temperaturi scăzute și a constatat că, la o temperatură de aproximativ 4 K (adică, la -269 ° C) rezistivitatea scade brusc (Fig. 3) zero. Acest fenomen H. Kamerlingh Onnes numit supraconductibilitate.

H. Kamerlingh Onnes a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1913 „pentru studiul proprietăților materiei la temperaturi scăzute.“

Mai târziu, sa constatat că mai mult de 25 de elemente chimice - metal la temperaturi foarte joase devin supraconductori. Fiecare dintre ele are propria temperatura critică a tranziției la o stare cu rezistență la zero. Cea mai mică valoare din tungsten său - 0,012 K, cea mai mare din niobiu - 9 K.

Supraconductibilitatea se observă nu numai metalele pure, ci și mulți compuși chimici și aliaje. Mai mult decât atât, aceste elemente fac parte din compusul supraconductor poate să nu fie superconductori. De exemplu, Nibi, AU2 Bi, PdTe, PtSb și altele.

Până în 1986 au fost supraconductori cunoscuți care au aceste proprietăți la temperaturi foarte joase - sub -259 ° C In anii 1986-1987 materialele cu o temperatură de tranziție au fost descoperite în starea supraconductoare în jurul valorii de -173 ° C. Acest fenomen se numește temperatură ridicată superconductivitatea. și observarea este posibilă utilizarea azotului lichid în loc de heliu lichid.

largi aplicații supraconductivitatii până de curând a fost împiedicată de dificultățile asociate cu necesitatea de răcire la temperaturi criogenice, care a fost utilizat pentru heliu lichid. Cu toate acestea, în ciuda complexității echipamentului, deficitul și costul ridicat de heliu, cu 60-e ale secolului XX sunt magneti supraconductori, fără pierderi de căldură în înfășurări lor, ceea ce face practic posibil să se obțină câmpuri magnetice puternice în cantități relativ mari. Acestea sunt magneții sunt necesare pentru a crea instalații de fuziune termonucleară controlată cu confinare magnetică, pentru acceleratoare de particule puternice. Supraconductori sunt utilizate în diferite instrumente de măsură, în principal în instrumente pentru măsurarea câmpurilor magnetice foarte slabe, cu mare precizie.

Pe baza filmelor supraconductoare, un număr de logică și memorie elemente de mare viteză a unui dispozitiv de calcul. În cazul în care explorarea spațială este promițătoare de a utiliza solenoizi supraconductori pentru radiații ecranare astronauți de andocare, nave de frânare și orientarea lor pentru motoarele de rachetă cu plasmă.

In momentul de materiale ceramice create cu supraconductivitatii la temperaturi mai mari - peste 100 K, adică la o temperatură peste temperatura azotului de fierbere. Pentru a răci supraconductori cu azot lichid, care este un ordin de mărime mai mare a căldurii de vaporizare, simplifică foarte mult și reduce costul tuturor echipamentelor criogenică, promite un impact economic imens.

A se vedea. În același

Dezavantajele teoriei conducție electronică

În ciuda faptului că conductivitatea electronică a teoriei metalelor explică o serie de fenomene, are, de asemenea dezavantajele sale.

1. Din teoria aceasta a indicat că rezistivitatea trebuie să fie proporțională cu rădăcina pătrată a temperaturii (\ (

\ Rho \ sim \ sqrt T \)), între timp, în funcție de experiența, p

T.

Pentru a obține valori ale conductivității electrice specifică a metalului derivat din experiența, este necesar să se ia drumul liber de electroni în sute de ori mai mare decât perioada de grilajului metalic. Cu alte cuvinte, electronul ar trebui să treacă fără coliziuni cu ionii de zăbrele sute de atomi.

Această teorie nu a putut explica cauza supraconductibilitate.

dezavantajele menționate mai sus indică faptul că teoria de electroni clasice, care reprezintă electronul ca un punct material, cu respectarea legilor mecanicii clasice, nu a ținut cont de anumite proprietăți specifice ale electronului, care nu au fost încă cunoscute la începutul secolului XX. Aceste proprietăți au fost stabilite mai târziu în studiul structurii atomice, iar în 1924 a fost creat un nou așa-numitele cuantice sau unda mecanica mișcării de electroni,.

literatură