Apa saja ciri-ciri konduktivitas elektronik logam. Konduktivitas elektronik logam – Knowledge Hypermarket

Konduktivitas elektronik logam

Pada awal abad ke-20, teori elektronik klasik tentang konduktivitas logam diciptakan (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), yang memberikan penjelasan sederhana dan visual tentang sebagian besar sifat listrik dan termal logam. Mari kita perhatikan beberapa ketentuan teori ini.

elektron bebas

Konduktor logam terdiri dari:

1) ion bermuatan positif berosilasi di sekitar posisi kesetimbangan, dan

2) elektron bebas yang mampu bergerak sepanjang seluruh volume konduktor.

Dengan demikian, sifat listrik logam disebabkan oleh adanya elektron bebas di dalamnya dengan konsentrasi sekitar 1028 m–3, yang kira-kira sama dengan konsentrasi atom. Elektron ini disebut elektron konduksi. Mereka dibentuk dengan menghilangkannya dari atom logam elektron valensi. Elektron tersebut bukan milik atom tertentu dan mampu bergerak ke seluruh volume benda. Dalam logam jika tidak ada medan listrik elektron konduksi bergerak secara kacau dan bertabrakan, paling sering dengan ion kisi kristal(Gbr. 1). Totalitas elektron-elektron ini kira-kira dapat dianggap pasti gas elektron, tunduk pada hukum gas ideal. Kecepatan rata-rata gerak termal elektron pada suhu kamar kira-kira 105 m/s.

Gambar 1

Arus listrik pada logam

Ion-ion kisi kristal logam tidak berperan dalam penciptaan arus. Pergerakan mereka selama aliran arus berarti perpindahan materi sepanjang konduktor, yang tidak diamati. Misalnya dalam percobaan E. Riecke (1901) massa dan komposisi kimia konduktor tidak berubah ketika arus berlalu selama satu tahun.

Bukti eksperimental Fakta bahwa arus dalam logam diciptakan oleh elektron bebas ditunjukkan dalam percobaan L.I. Mandelstam dan N.D. Papaleksi (1912, hasilnya tidak dipublikasikan), serta T. Stewart dan R. Tolman (1916). Mereka menemukan bahwa ketika kumparan yang berputar cepat tiba-tiba berhenti, arus listrik muncul di konduktor kumparan, yang diciptakan oleh partikel bermuatan negatif - elektron.

Oleh karena itu, arus listrik dalam logam merupakan arah pergerakan elektron bebas.

Karena arus listrik terbentuk pada logam elektron bebas, maka daya hantar listrik penghantar logam disebut daya hantar listrik.

Arus listrik dalam logam timbul di bawah pengaruh medan listrik luar. Elektron konduksi yang terletak di bidang ini dipengaruhi oleh kekuatan listrik, memberi mereka percepatan yang diarahkan ke arah yang berlawanan dengan vektor kekuatan medan. Akibatnya, elektron memperoleh kecepatan tambahan tertentu (disebut penyimpangan). Kecepatan ini meningkat hingga elektron bertabrakan dengan atom dalam kisi kristal logam. Selama tumbukan seperti itu, elektron kehilangan energi kinetik berlebihnya dan memindahkannya ke ion. Kemudian elektron kembali dipercepat oleh medan listrik, diperlambat lagi oleh ion, dan seterusnya. Kecepatan rata-rata penyimpangan elektron sangat kecil, sekitar 10–4 m/s.

Kecepatan rambat arus dan kecepatan drift bukanlah hal yang sama. Kecepatan rambat arus sama dengan kecepatan rambat medan listrik di ruang angkasa, yaitu. 3⋅108 m/s.

Ketika bertabrakan dengan ion, elektron konduksi mentransfer sebagian energi kinetik ke ion, yang menyebabkan peningkatan energi gerak ion-ion kisi kristal, dan akibatnya, pemanasan konduktor.

Ketahanan logam

Resistensi logam dijelaskan oleh tumbukan elektron konduksi dengan ion kisi kristal. Dalam hal ini, tentu saja, semakin sering tumbukan tersebut terjadi, yaitu semakin pendek waktu tempuh bebas rata-rata sebuah elektron di antara tumbukan τ, semakin besar resistivitas logam

Pada gilirannya, waktu τ bergantung pada jarak antara ion kisi, amplitudo getarannya, sifat interaksi elektron dengan ion, dan kecepatan gerak termal elektron. Ketika suhu logam meningkat, amplitudo getaran ion dan kecepatan gerak termal elektron meningkat. Jumlah cacat kisi kristal juga meningkat. Semua ini mengarah pada fakta bahwa ketika suhu logam meningkat, tumbukan elektron dengan ion akan lebih sering terjadi, yaitu. waktu τ berkurang, dan resistivitas logam meningkat.

Eksperimen Mandelstam dan Papaleksi dalam menjelaskan gerak elektron

Jika sebuah elektron mempunyai massa, maka massanya, atau kemampuannya untuk bergerak secara inersia, harus diwujudkan di mana saja, tidak hanya di medan listrik. Ilmuwan Rusia L. I. Mandelstam (1879-1949; pendiri sekolah ahli radiofisika) dan N. D. Papaleksi (1880 - 1947; yang terbesar fisikawan Soviet, akademisi, ketua Dewan Ilmiah Seluruh Serikat tentang Radiofisika dan Teknik Radio di Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet) melakukan eksperimen asli pada tahun 1913. Mereka mengambil seutas kawat dan mulai memutarnya ke berbagai arah.

Mereka akan berputar, misalnya searah jarum jam, lalu tiba-tiba berhenti lalu kembali lagi.

Mereka beralasan seperti ini: jika elektron benar-benar memiliki massa, maka ketika kumparan tiba-tiba berhenti, elektron akan terus bergerak secara inersia selama beberapa waktu. Pergerakan elektron sepanjang kawat merupakan arus listrik. Itu terjadi sesuai rencana. Kami menghubungkan telepon ke ujung kabel dan mendengar suara. Karena suara terdengar di telepon, maka arus mengalir melaluinya.

Pengalaman Mandelstam dan Papaleksi diulangi pada tahun 1916 oleh ilmuwan Amerika Tolman dan Stewart. Mereka juga memutar kumparannya, tetapi alih-alih menggunakan telepon, mereka menghubungkan perangkat ke ujungnya untuk mengukur muatan. Mereka tidak hanya berhasil membuktikan keberadaan massa elektron, tetapi juga mengukurnya. Data Tolman dan Stewart kemudian diperiksa dan disempurnakan berkali-kali oleh ilmuwan lain, dan kini Anda mengetahui bahwa massa elektron adalah 9,109 · 10-31 kilogram.

Saat menyiapkan eksperimen ini, kami melanjutkan dari pemikiran berikut. Jika terdapat muatan bebas pada suatu logam yang bermassa, maka muatan tersebut harus mematuhi hukum inersia. Konduktor yang bergerak cepat, misalnya dari kiri ke kanan, adalah kumpulan atom-atom logam yang bergerak ke arah tersebut, yang terbawa bersamanya. biaya gratis. Ketika konduktor seperti itu tiba-tiba berhenti, atom-atom yang termasuk dalam komposisinya berhenti; muatan bebas, karena inersia, harus terus bergerak dari kiri ke kanan hingga berbagai rintangan (tumbukan dengan atom yang berhenti) menghentikannya. Fenomena yang terjadi serupa dengan apa yang diamati ketika sebuah trem tiba-tiba berhenti, ketika benda-benda “lepas” dan orang-orang yang tidak terikat pada mobil terus bergerak maju selama beberapa waktu karena inersia.

Dengan demikian, waktu singkat setelah konduktor berhenti, muatan bebas di dalamnya harus bergerak ke satu arah. Namun pergerakan muatan ke arah tertentu merupakan arus listrik. Oleh karena itu, jika alasan kita benar, maka setelah konduktor berhenti secara tiba-tiba, kita akan mengharapkan munculnya arus jangka pendek di dalamnya. Arah arus ini akan memungkinkan kita menilai tandanya. Mengenakan biaya. Jika mereka bergerak ke arah ini muatan negatif, maka arus harus diamati searah dari kanan ke kiri dan sebaliknya. Arus yang dihasilkan bergantung pada muatan dan kemampuan pembawanya untuk mempertahankan pergerakannya secara inersia untuk waktu yang kurang lebih lama, meskipun ada gangguan, yaitu pada massanya. Dengan demikian, eksperimen ini tidak hanya memungkinkan kita memverifikasi asumsi keberadaan biaya gratis, tetapi juga untuk menentukan muatan itu sendiri, tandanya, dan massa pembawanya (lebih tepatnya, rasio muatan terhadap massa elm).

Dalam implementasi praktis percobaan, ternyata lebih nyaman menggunakan bukan progresif, tetapi gerakan rotasi konduktor. Diagram percobaan tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2

Sebuah spiral kawat 1 dipasang pada kumparan, di mana dua sumbu semi 00 diisolasi satu sama lain. Ujung-ujung spiral disolder ke kedua bagian sumbu dan, menggunakan kontak geser 2 (“sikat”), dihubungkan. ke galvanometer sensitif 3. Kumparan digerakkan masuk putaran cepat lalu tiba-tiba melambat. Percobaan sebenarnya mengungkapkan bahwa dalam hal ini timbul arus listrik di galvanometer. Arah arus ini menunjukkan bahwa muatan negatif bergerak secara inersia. Dengan mengukur muatan yang dibawa oleh arus jangka pendek ini, dimungkinkan untuk mengetahui rasio muatan bebas terhadap massa pembawanya. Rasio ini ternyata sama dengan e/m=l.8 · 1011 C/kg, yang bertepatan dengan nilai rasio elektron yang ditentukan dengan metode lain.

Konduktivitas listrik logam adalah kemampuan unsur dan benda untuk menghantarkan sejumlah partikel bermuatan negatif melalui dirinya sendiri. Kepemilikan yang sebenarnya arus listrik dapat dijelaskan dengan cukup sederhana - sebagai akibat dari pengaruhnya medan elektromagnetik pada logam konduktor, elektron mempercepat pergerakannya sehingga kehilangan koneksi dengan atom.

DI DALAM Sistem internasional Satuan pengukuran Konduktivitas listrik ditunjukkan dengan huruf S dan diukur dalam siemens.

Tergantung pada jenis dan sifat pembawa muatan, konduktivitas dapat bersifat elektronik, ionik, dan lubang. Logam memiliki konduktivitas elektronik. Konduktivitas seperti itu juga ada di lapisan atas atmosfer, yang kepadatan zatnya rendah, sehingga elektron dapat bergerak bebas tanpa bergabung dengan ion cair yang bermuatan positif, memiliki konduktivitas ionik. Ion-ion, yang merupakan pembawa muatan, menggerakkan suatu zat ketika bergerak, akibatnya ia dilepaskan pada elektroda. Mekanisme konduksi dimungkinkan karena pecahnya ikatan valensi, menyebabkan munculnya posisi kosong dengan koneksi yang hilang. Tempat “kosong” yang kehilangan elektron ikatannya disebut lubang. Munculnya lubang pada kristal konduktor menciptakan peluang tambahan untuk transfer biaya. Proses yang disertai pergerakan elektron ini disebut konduktivitas lubang.

Konduktivitas listrik logam. Jenis konduktivitas listrik. tingkat Fermi.

Jenis konduktivitas listrik

Tergantung pada jenis dan sifat pembawa muatan, konduktivitas dapat bersifat elektronik, ionik, dan lubang.

Logam memiliki konduktivitas elektronik.

Zat cair mempunyai konduktivitas ionik. Ion, yang merupakan pembawa muatan, menggerakkan suatu zat ketika bergerak, sehingga melepaskannya pada elektroda.

Mekanisme konduksi yang mungkin terjadi disebabkan oleh putusnya ikatan valensi, yang menyebabkan munculnya situs kosong dengan ikatan yang hilang. Tempat “kosong” yang kehilangan elektron ikatannya disebut lubang. Munculnya lubang pada kristal konduktor menciptakan peluang tambahan untuk transfer muatan. Proses yang disertai pergerakan elektron ini disebut konduktivitas lubang.

Dapat berfungsi sebagai penghantar arus listrik padatan, cairan, dan dalam kondisi yang sesuai, gas.

Konduktor padat meliputi logam, paduan logam dan beberapa modifikasi karbon.

Logam merupakan zat plastik dengan ciri khas kilau yang dapat menghantarkan listrik dan panas dengan baik. Di antara bahan peralatan elektronik, logam menempati salah satu tempat terpenting.

Konduktor cair termasuk logam cair dan berbagai elektrolit. Secara umum titik leleh logam ini tinggi, kecuali merkuri (Hg) yang memiliki titik leleh -39°C. Oleh karena itu, kapan suhu normal Hanya merkuri yang dapat digunakan sebagai konduktor logam cair. Gallium (Ga) juga memiliki suhu mendekati normal (29,8°C). Logam lain merupakan konduktor cair hanya pada suhu tinggi atau tinggi.

Mekanisme aliran arus melalui logam dalam keadaan padat dan cair ditentukan oleh pergerakan elektron bebas. Oleh karena itu mereka disebut konduktor dengan konduktivitas elektronik atau konduktor jenis pertama.

Elektrolit, atau konduktor jenis kedua, adalah larutan (terutama dalam air) asam, basa dan garam, serta lelehan. senyawa ionik. Aliran arus melalui konduktor tersebut dikaitkan dengan transfer bersama muatan listrik bagian dari molekul (ion). Akibatnya, komposisi elektrolit berangsur-angsur berubah, dan produk elektrolisis dilepaskan pada elektroda.

Semua gas dan uap, termasuk uap logam, tidak dapat menghantarkan arus pada kuat medan listrik yang rendah. Namun jika kuat medannya diatas batas tertentu nilai kritis, memastikan timbulnya tumbukan dan fotoionisasi, maka gas dapat menjadi konduktor dengan konduktivitas elektronik dan ionik. Gas yang sangat terionisasi dengan jumlah elektron yang sama dan ion positif per satuan volume adalah media penghantar kesetimbangan yang disebut plasma.

Berdasarkan klasik teori elektron logam, yang dikembangkan oleh Drude dan Lorentz, terdapat gagasan tentang gas elektron yang terdiri dari elektron bebas. Sifat-sifat gas ideal dikaitkan dengan gas elektron, yaitu. pergerakan elektron mematuhi hukum statistik klasik

Jika tegangan eksternal diterapkan, elektron akan menerima kecepatan tambahan gerakan terarah ke arah tersebut kekuatan aktif medan yang menimbulkan arus listrik.

Dalam proses gerak terarah, elektron bertabrakan dengan atom di lokasi kisi. Dalam hal ini, kecepatan gerakan melambat dan kemudian dipercepat di bawah pengaruh medan listrik:

Kehadiran elektron bebas ditentukan oleh konduktivitas termal yang tinggi logam Berada dalam gerakan terus menerus, elektron terus-menerus bertabrakan dengan ion dan bertukar energi dengan mereka. Oleh karena itu, getaran ion, yang meningkat pada bagian logam tertentu karena pemanasan, segera ditransmisikan ke ion tetangga, dari ion tersebut ke ion berikutnya, dll., dan keadaan termal logam dengan cepat menjadi rata; seluruh massa logam mempunyai suhu yang sama.

Konduktivitas termal dapat didefinisikan sebagai sifat suatu zat untuk menghantarkan (mentransmisikan) aliran panas di bawah pengaruh perbedaan suhu yang tidak berubah seiring waktu.

energi Fermi E F - nilai maksimum energi yang dapat dimiliki elektron pada suhu nol mutlak. Energi Fermi bertepatan dengan nilai potensial kimia gas fermion di T =0 K, yaitu, tingkat Fermi untuk elektron berperan sebagai tingkat potensial kimia untuk partikel tak bermuatan. Potensi yang sesuai j F = EF /e disebut potensial elektrokimia.

Jadi, tingkat Fermi atau energi Fermi dalam logam adalah energi yang dimiliki elektron pada suhu nol mutlak. Ketika logam dipanaskan, beberapa elektron yang terletak di dekat tingkat Fermi tereksitasi (karena energi panas, yang nilainya sekitar kT). Tetapi pada suhu berapa pun untuk tingkat energi yang sesuai dengan tingkat Fermi, kemungkinan pengisian adalah 1/2. Semua level yang terletak di bawah level Fermi lebih mungkin mengalami hal tersebut 1/2 dipenuhi dengan elektron, dan semua level yang berada di atas level Fermi kemungkinan besar akan terisi 1/2 bebas elektron.

Keberadaan energi Fermi merupakan konsekuensi dari prinsip Pauli. Nilai energi Fermi sangat bergantung pada sifat sistem.

Penghantar listrik terbaik adalah logam. Logam juga mempunyai konduktivitas listrik yang baik karena elektron bebasnya.

Saat kita memasang bola lampu, ubin atau lainnya peralatan listrik ke sumber arus, di kabel, di filamen bola lampu, di spiral ubin, perubahan besar langsung terjadi: elektron kehilangan kebebasan bergerak sepenuhnya dan bergegas ke kutub positif sumber arus. Aliran elektron yang terarah ini adalah arus listrik dalam logam.

Aliran elektron tidak bergerak tanpa hambatan melalui logam - ia bertemu ion dalam perjalanannya. Pergerakan elektron individu melambat. Elektron mentransfer sebagian energinya ke ion, sehingga kecepatan gerak getaran ion meningkat. Hal ini menyebabkan konduktor memanas.

Ion logam yang berbeda menawarkan resistensi yang berbeda terhadap pergerakan elektron. Jika resistansinya kecil, logam akan sedikit panas oleh arus, tetapi jika resistansinya tinggi, logam dapat memanas. Kabel tembaga yang menyuplai arus ke kompor listrik hampir tidak memanas hambatan listrik tembaga dapat diabaikan. Dan spiral nichrome ubin menjadi panas membara. Filamen tungsten pada bola lampu semakin memanas.

Perak dan tembaga memiliki konduktivitas listrik tertinggi, diikuti oleh emas, kromium, aluminium, mangan, tungsten, dll. Besi, merkuri, dan titanium menghantarkan arus dengan buruk. Jika daya hantar listrik perak diambil 100, maka daya hantar listrik tembaga 94, alumunium 55, besi dan merkuri 2, dan titanium hanya 0,3.

Perak adalah logam yang mahal dan jarang digunakan dalam teknik kelistrikan, tetapi tembaga digunakan dalam pembuatan kabel, kabel, bus, dan produk kelistrikan lainnya dalam jumlah besar. Konduktivitas listrik aluminium 1,7 kali lebih kecil dibandingkan tembaga, dan oleh karena itu aluminium lebih jarang digunakan dalam teknik kelistrikan dibandingkan tembaga.

Perak, tembaga, emas, krom, aluminium, ..., timah, merkuri. Kita telah melihat bahwa logam berada dalam urutan yang kira-kira sama dalam rangkaian dengan konduktivitas termal yang menurun secara bertahap (lihat halaman 33).

Konduktor arus listrik terbaik biasanya juga merupakan konduktor panas terbaik. Ada hubungan tertentu antara konduktivitas termal dan konduktivitas listrik suatu logam, dan semakin tinggi konduktivitas listrik suatu logam, biasanya semakin tinggi pula konduktivitas termalnya.

Logam murni selalu menghantarkan listrik lebih baik dibandingkan paduannya. Hal ini dijelaskan sebagai berikut. Atom-atom unsur penyusun pengotor terjepit ke dalam kisi kristal logam dan mengganggu keteraturannya. Akibatnya, kisi menjadi penghalang yang lebih serius terhadap aliran elektron.

Jika tembaga mengandung sedikit pengotor - sepersepuluh atau bahkan seperseratus persen - konduktivitas listriknya sudah sangat berkurang. Oleh karena itu, dalam teknik kelistrikan, sebagian besar digunakan tembaga yang sangat murni, hanya mengandung 0,05% pengotor. Dan sebaliknya, dalam kasus di mana bahan dengan resistansi tinggi diperlukan - untuk rheostat), paduan digunakan untuk berbagai perangkat pemanas - nichrome, nikel, konstantan, dan lainnya.

Konduktivitas listrik suatu logam juga bergantung pada sifat pengolahannya. Setelah digulung, ditarik dan dipotong, konduktivitas listrik logam menurun. Hal ini disebabkan adanya distorsi kisi kristal selama pemrosesan, dengan terbentuknya cacat di dalamnya yang menghambat pergerakan elektron bebas.

Ketergantungan konduktivitas listrik logam pada suhu sangatlah menarik. Kita telah mengetahui bahwa ketika dipanaskan, jangkauan dan kecepatan osilasi ion-ion dalam kisi kristal suatu logam meningkat. Dalam hal ini, resistensi ion terhadap aliran elektron juga harus meningkat. Memang, semakin tinggi suhunya, semakin tinggi pula resistansi konduktor terhadap arus. Pada suhu leleh, resistensi sebagian besar logam meningkat satu setengah hingga dua kali lipat.

Saat mendingin, fenomena sebaliknya terjadi: tidak teratur gerak osilasi ion di lokasi kisi berkurang, resistensi terhadap aliran elektron menurun dan konduktivitas listrik meningkat.

Saat mempelajari sifat-sifat logam selama pendinginan yang dalam (sangat kuat), para ilmuwan menemukan fenomena luar biasa: mendekati nol mutlak, yaitu, pada suhu sekitar minus 273,16°, logam kehilangan hambatan listrik sepenuhnya. Mereka menjadi “konduktor ideal”: dalam cincin logam tertutup, arusnya tidak melemah untuk waktu yang lama, meskipun cincin tersebut tidak lagi terhubung ke sumber arus! Fenomena ini disebut superkonduktivitas. Hal ini diamati pada aluminium, seng, timah, timbal dan beberapa logam lainnya. Logam-logam ini menjadi superkonduktor pada suhu di bawah minus 263°.

Bagaimana menjelaskan superkonduktivitas? Mengapa beberapa logam mencapai konduktivitas sempurna sementara yang lain tidak? Belum ada jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini. Fenomena superkonduktivitas sangat penting bagi teori struktur logam, dan saat ini sedang dipelajari oleh para ilmuwan Soviet. Karya-karya Akademisi L. D. Landau dan Anggota Koresponden dari Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet A. I. Shalnikov di bidang ini dianugerahi Hadiah Stalin.

>>Fisika: Konduktivitas elektronik logam

Mari kita mulai dengan konduktor logam. Kita mengetahui karakteristik arus-tegangan dari konduktor-konduktor ini, tetapi sejauh ini belum ada penjelasan mengenai penjelasannya dari sudut pandang teori kinetik molekuler.
Pembawa muatan bebas dalam logam adalah elektron. Konsentrasinya tinggi - sekitar 10 28 1/m 3. Elektron ini berpartisipasi dalam gerakan termal acak. Di bawah pengaruh medan listrik, mereka mulai bergerak secara teratur dengan kecepatan rata-rata sekitar 10 -4 m/s.
Bukti eksperimental keberadaan elektron bebas dalam logam. Bukti eksperimental bahwa konduktivitas logam disebabkan oleh pergerakan elektron bebas diberikan dalam percobaan L.I. Mandelstam dan N.D. Papaleksi (1913), B. Stewart dan R. Tolman (1916). Skema percobaan tersebut adalah sebagai berikut.
Sebuah kawat dililitkan pada sebuah kumparan, yang ujung-ujungnya disolder ke dua piringan logam yang diisolasi satu sama lain ( Gambar 16.1). Sebuah galvanometer dihubungkan ke ujung piringan menggunakan kontak geser.

Gulungan diputar dengan cepat dan kemudian dihentikan secara tiba-tiba. Setelah kumparan berhenti secara tiba-tiba, partikel bermuatan bebas bergerak selama beberapa waktu relatif terhadap konduktor secara inersia dan, oleh karena itu, timbul arus listrik dalam kumparan. Arus ada untuk waktu yang singkat, karena hambatan konduktor, partikel bermuatan melambat dan pergerakan teratur partikel yang membentuk arus terhenti.
Arah arus dalam percobaan ini menunjukkan bahwa arus dihasilkan oleh pergerakan partikel bermuatan negatif. Muatan yang ditransfer dalam hal ini sebanding dengan rasio muatan partikel yang menghasilkan arus terhadap massanya, yaitu. |q|/m. Oleh karena itu, dengan mengukur muatan yang melewati galvanometer selama adanya arus dalam rangkaian, rasio ini dapat ditentukan. Ternyata sama dengan 1,8 · 10 11 C/kg. Nilai ini bertepatan dengan rasio muatan elektron terhadap massanya e/m, ditemukan sebelumnya dari percobaan lain.
Pergerakan elektron dalam suatu logam. Elektron, di bawah pengaruh gaya medan listrik yang bekerja padanya, memperoleh kecepatan gerak teratur tertentu. Kecepatan ini tidak meningkat lebih jauh seiring berjalannya waktu, karena ketika bertabrakan dengan ion-ion kisi kristal, elektron kehilangan gerakan terarahnya, dan sekali lagi, di bawah pengaruh medan listrik, mulai bergerak secara terarah. Akibatnya, kecepatan rata-rata pergerakan elektron yang teratur sebanding dengan kuat medan listrik dalam konduktor v~E dan, akibatnya, beda potensial pada ujung-ujung konduktor, karena , Di mana aku- panjang konduktor.
Kuat arus dalam konduktor sebanding dengan kecepatan pergerakan partikel yang teratur (lihat rumus (15.2)). Oleh karena itu, kita dapat mengatakan bahwa kuat arus sebanding dengan beda potensial pada ujung-ujung penghantar: SAYA~kamu. Ini penjelasan kualitatif hukum Ohm berdasarkan teori elektronik konduktivitas logam.
Tidak mungkin membangun teori kuantitatif yang memuaskan tentang gerak elektron dalam logam berdasarkan hukum mekanika klasik. Faktanya adalah kondisi pergerakan elektron dalam logam sedemikian rupa mekanika klasik Newton tidak dapat diterapkan untuk menggambarkan gerakan ini.
Hal ini paling jelas terlihat dari contoh berikut. Jika kita secara eksperimental menentukan energi kinetik rata-rata dari gerak termal elektron dalam logam pada suhu kamar dan menemukan suhu yang sesuai dengan energi ini, kita akan memperoleh suhu sekitar 10 5 -10 6 K. Suhu seperti itu ada di dalam bintang. Pergerakan elektron dalam logam mematuhi hukum mekanika kuantum.
Telah dibuktikan secara eksperimental bahwa elektron adalah pembawa muatan bebas dalam logam. Di bawah pengaruh medan listrik, elektron bergerak dengan konstan kecepatan rata-rata, mengalami pengaruh penghambatan kisi kristal. Kecepatan pergerakan elektron yang teratur berbanding lurus dengan kuat medan pada konduktor.

???
1. Kumparan (lihat Gambar 16.1) diputar searah jarum jam dan kemudian diperlambat tajam. Bagaimana arah arus listrik pada kumparan pada saat pengereman?
2. Bagaimana kecepatan gerak teratur elektron dalam suatu penghantar logam bergantung pada tegangan pada ujung-ujung penghantar?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fisika kelas 10

Jika Anda memiliki koreksi atau saran untuk pelajaran ini,

Tidak ada yang terkejut saat ini ketika kita menyentuh tombol saklar, kita melihat bola lampu menyala. Seringkali kita bahkan tidak berpikir bahwa semua tindakan tersebut didasarkan pada keseluruhan rangkaian. Salah satu fenomena yang sangat aneh ini adalah konduktivitas listrik logam, yang menjamin aliran arus listrik.

Untuk memulainya, Anda mungkin harus memutuskan tentang apa semua ini. yang sedang kita bicarakan. Jadi, daya hantar listrik adalah kemampuan suatu zat untuk mentransmisikan zat yang berbeda memiliki kemampuan ini derajat yang berbeda-beda. Berdasarkan derajat hantaran listriknya, zat dibedakan menjadi konduktor, semikonduktor, dan dielektrik.

Jika melihat data eksperimen yang diperoleh peneliti selama mempelajari arus listrik, terlihat jelas bahwa konduktivitas logam paling tinggi. Hal ini juga dibenarkan oleh praktik sehari-hari, ketika kabel logam digunakan untuk mengalirkan arus listrik. Logam pada dasarnya merupakan konduktor arus listrik. Dan penjelasannya dapat ditemukan dalam teori elektronik tentang logam.

Menurut yang terakhir, konduktor adalah kisi kristal, yang simpul-simpulnya ditempati oleh atom. Mereka terletak sangat padat dan terhubung dengan atom-atom tetangga yang serupa, sehingga mereka praktis tetap berada di simpul kisi kristal. Hal yang sama tidak berlaku untuk elektron yang terletak di kulit terluar atom. Elektron ini bebas bergerak secara acak, membentuk apa yang disebut “gas elektron”. Konduktivitas elektronik logam didasarkan pada elektron tersebut.

Sebagai bukti bahwa sifat arus listrik disebabkan oleh elektron, kita dapat mengingat eksperimen fisikawan Jerman Rikke yang dilakukan pada tahun 1901. Dia mengambil dua silinder tembaga dan satu silinder aluminium dengan ujung yang dipoles dengan hati-hati, menempatkan satu di atas yang lain dan mengalirkan arus listrik melaluinya. Menurut peneliti, jika konduktivitas listrik logam disebabkan oleh atom, maka akan terjadi perpindahan materi. Namun setelah dialiri arus listrik selama setahun, massa silinder tidak mengalami perubahan.

Dari hasil tersebut disimpulkan bahwa daya hantar listrik suatu logam disebabkan oleh beberapa partikel yang melekat pada semua konduktor. Elektron, yang telah ditemukan pada saat itu, sangat cocok untuk peran ini. Selanjutnya, beberapa percobaan yang lebih cerdik dilakukan, dan semuanya menegaskan bahwa arus listrik disebabkan oleh pergerakan elektron.

Menurut ide-ide modern Mengenai logam, ion-ion terletak pada titik-titik simpulnya, dan elektron bergerak relatif bebas di antara simpul-simpul tersebut. Tepat jumlah besar Elektron semacam itu memberikan konduktivitas listrik yang tinggi pada logam. Ketika terdapat sejumlah kecil elektron bebas di ujung konduktor, elektron bebas ini mulai bergerak, yang menyebabkan aliran arus listrik.

Perlu dicatat di sini bahwa konduktivitas sangat bergantung pada suhu. Jadi, dengan meningkatnya suhu, konduktivitas logam menurun, dan sebaliknya, meningkat dengan menurunnya suhu, hingga Pada saat yang sama, harus diingat bahwa meskipun semua logam memiliki konduktivitas, nilainya berbeda untuk masing-masing logam. Dari logam yang paling banyak digunakan dalam teknik kelistrikan, tembaga memiliki konduktivitas terbaik.

Nah, materi diatas memberikan gambaran tentang apa itu daya hantar listrik pada logam, menjelaskan sifat arus listrik dan menjelaskan apa penyebabnya. Penjelasan tentang kisi kristal logam dan pengaruhnya faktor eksternal untuk konduktivitas.