Metalų elektrinis laidumas

Metalą veikiant elektriniam (arba magnetiniam) laukui (arba temperatūrų skirtumui), jame atsiranda įkrautų dalelių ir energijos srautai.

Šių srautų ar srovių atsiradimo reiškiniai paprastai vadinami kinetiniais efektais arba perdavimo reiškiniais, kitaip transportavimo reiškiniais, tai reiškia stacionarių laukų poveikį stacionariems laidininkams. Šiuo atveju srovė arba srautas yra proporcingas potencialų skirtumui (arba temperatūrų skirtumui), o proporcingumo koeficientą lemia tik laidininko geometriniai matmenys ir paties metalo fizinės savybės.

Vieneto geometrinių matmenų atveju šis koeficientas priklauso tik nuo konkretaus metalo savybių ir yra jo pagrindinis fizines savybes, kuris vadinamas kinetiniu koeficientu. Kai laidininkas yra kintamajame lauke, jame kylančios srovės priklauso ne tik nuo geometrinių matmenų ir kinetinio koeficiento, bet ir nuo dažnio. kintamasis laukas, laidininko formos, santykinė padėtis elektros grandinės elementai.

Laidininko varža ties kintamoji srovė labai priklauso nuo jo dažnio, kurį sukelia sukimosi efektas – srovės poslinkis iš laidininko centro į periferiją. Iš daugelio galimų kinetiniai reiškiniai Technologijoje geriausiai žinomi du: elektrinis laidumas – medžiagos gebėjimas laiduoti pastovų elektros srovė veikiant elektriniam laukui, kuris laikui bėgant nekinta, o šilumos laidumas yra panašus temperatūros skirtumo ir šilumos srautas. Abu šie reiškiniai (kiekybiškai) išreiškiami atitinkamai Ohmo ir Furjė dėsniais:

j = γ E; ω = k T.

čia j yra srovės tankis, A/m;

γ - kinetinis elektros laidumo koeficientas);

E - elektrinio lauko stipris V/m;

ω - šiluminės srovės tankis;

T – temperatūrų skirtumas;

k – šilumos laidumo koeficientas.

Praktiškai elektrinė varža arba tiesiog varža, Ohm m

Tačiau laidininkams leidžiama naudoti nesisteminį matavimo vienetą Ohm mm2/m arba rekomenduojama naudoti lygiavertį SI vienetą μOhm/m. Perėjimas iš vieno vieneto į kitą šiuo atveju: 1 Ohm m = 10 6 μOhm m = 10 6 Ohm mm2/m.

Savavališkų matmenų laidininko varža su konstanta skerspjūvis bus nustatyta:

čia l yra laidininko ilgis, m;

S – laidininko plotas, m2.

Metalai paprastai apibūdinami kaip plastikinės medžiagos, turinčios būdingą „metalinį“ blizgesį, kurios yra geri elektros srovės ir šilumos laidininkai.

Metalų elektriniam laidumui būdingi: maža varža ties normali temperatūra, didelis atsparumo padidėjimas didėjant temperatūrai, gana artimas tiesioginiam proporcingumui; kai temperatūra nukrenta iki artimos temperatūros absoliutus nulis, metalų atsparumas sumažėja iki labai mažų verčių, gryniausių metalų siekia 10-3 arba net mažesnę varžos dalį esant normaliai, + 20 0C, temperatūrai.

Jiems taip pat būdingas ryšys tarp elektros laidumo ir šilumos laidumas, kuris aprašytas empiriniu Wiedemann-Franz dėsniu, nes santykis k / γ yra maždaug toks pat skirtingos medžiagos toje pačioje temperatūroje. K/γ koeficientas, padalytas iš absoliuti temperatūra T (L0 = k / (γ T)). vadinamas Lorenco skaičiumi, yra (visiems metalams) reikšmė, kuri mažai skiriasi bet kokiomis temperatūromis.

Kinetinių reiškinių metaluose teorija gali paaiškinti kinetinių koeficientų priklausomybių nuo temperatūros, slėgio ir kitų veiksnių formą, jos pagalba taip pat galima apskaičiuoti jų reikšmes. Norėdami tai padaryti, pažvelkime į vidinę metalų struktūrą.

Pagrindinė šios fizikos šakos idėja kilo 19–20 amžių sandūroje: metalų atomai yra jonizuoti, o nuo jų atskirti valentiniai elektronai yra laisvi, tai yra, jie priklauso visam kristalui.

Jonai yra griežtai išdėstyti ir sudaro taisyklingą kristalinę gardelę; jų sąveika su neigiamo krūvio debesimi laisvųjų elektronų kad kristalas būtų stabilus, stabilus darinys.

Laisvųjų elektronų buvimas gerai paaiškina didelį metalų elektrinį laidumą, o jų delokalizacija suteikia didelį plastiškumą. Tai reiškia, kad labiausiai būdingas bruožas vidinė struktūra metaliniai laidininkai yra keliaujančių elektronų buvimas, o tai patvirtina jų elektroninė struktūra. Joje paprasčiausias modelis keliaujančių elektronų rinkinys paaiškinamas kaip elektronų dujos, kuriame dalelės yra chaotiškame terminiame judėjime.

Pusiausvyra susidaro (jei nepaisysime susidūrimų tarp elektronų) dėl elektronų susidūrimo su jonais. Kadangi šiluminis judėjimas nėra visiškai sutvarkytas, nepaisant elektronų krūvio, grandinėje nepastebima srovė (makroskopinė). Jei laidininkui veikia išorinis elektrinis laukas, laisvieji elektronai, gavę pagreitį, išsirikiuoja į tvarkingą komponentą, kuris yra orientuotas išilgai lauko.

Kadangi jonai gardelės vietose yra stacionarūs, elektronų judėjimo tvarka pasireikš kaip makroskopinė elektros srovė. Savitasis laidumas šiuo atveju gali būti išreikštas atsižvelgiant į vidutinio ilgio elektrono laisvasis kelias λ greitėjančiame stiprio E lauke:

λ = e E τ / (2 m) kaip γ = e2 n λ / (2 m vτ),

kur e yra elektrono krūvis;

n – laisvųjų elektronų skaičius metalo tūrio vienete;

λ – vidutinis laisvas elektrono kelias tarp dviejų susidūrimų;

m yra elektrono masė;

v τ- vidutinis greitis laisvojo elektrono terminis judėjimas metale.

Atsižvelgiant į nuostatas kvantinė mechanika

γ = K p2/3 / λ,

kur K yra skaitinis koeficientas.

Metalinių laidininkų varžos diapazonas normalioje temperatūroje yra tik trys eilės. Skirtingiems metalams chaotiško šiluminio elektronų judėjimo greičiai tam tikroje temperatūroje yra maždaug vienodi.

Laisvųjų elektronų koncentracijos skiriasi nežymiai, todėl varžos reikšmė daugiausia priklauso nuo vidutinio laisvojo elektronų kelio tam tikrame laidininke, o jį lemia laidininko medžiagos struktūra. Turi visi gryni metalai su taisyklingiausia kristaline gardele minimalios vertės specifinis atsparumas. Priemaišos, iškreipiančios grotelę, padidina varžą

Temperatūros varžos koeficientas arba vidutinis varžos temperatūros koeficientas išreiškiamas kaip

α = 1 / ρ (dρ / dt); α` = 1 / ρ (ρ2 - ρ1) / (T2 - T1),

kur ρ1 ir ρ2 yra laidininko savitoji varža esant atitinkamai temperatūrai T1 ir T2, kai T2 > T1.

Techninėse žinynuose paprastai pateikiama reikšmė α`, su kuria galite apytiksliai nustatyti ρ esant savavališkai temperatūrai T:

ρ = ρ1 (1 + αρ` (T - T1)).

Ši išraiška suteikia tikslią vertę savitoji varža p tik tiesinei priklausomybei ρ(T). Kitais atvejais šis metodas yra apytikslis; kuo siauresnis temperatūrų intervalas, naudojamas αρ` nustatyti, tuo jis siauresnis.

Daugumos metalų, kurių tūris lydant didėja, savitoji varža mažina jų tankį. Metalams, kurie lydymosi metu sumažina savo tūrį, savitoji varža mažėja; Šie metalai yra galis, stibis ir bismutas.

Lydinių varža visada yra didesnė nei grynų metalų. Tai ypač pastebima, jei susiliejus jie susidaro kietas tirpalas, t.y. kietėjimo metu kristalizuojasi kartu ir vieno metalo atomai patenka į kito metalo gardelę.

Jei dviejų metalų lydinys sukuria atskirą kristalizaciją ir sukietėjusį tirpalą - kiekvieno komponento kristalų mišinį, tada tokio lydinio savitasis laidumas γ keičiasi sudėties pasikeitimu beveik tiesiškai. Kietuose tirpaluose ši priklausomybė (nuo kiekvieno metalo kiekio) nėra tiesinė ir jos maksimumas atitinka tam tikrą lydinio komponentų santykį.

Kartais jie susidaro tam tikru santykiu tarp komponentų cheminiai junginiai(intermetaliniai junginiai), nors jie neturi metalinio laidumo, bet yra elektroniniai puslaidininkiai.

Laidininkų linijinio plėtimosi temperatūros koeficientas nustatomas taip pat, kaip ir dielektrikams, naudojant formulę

ТКl = α(l) = l / l (dl / dТ), (3.1)

čia TKl = α(l) – temperatūros koeficientas linijinis plėtimasis K-1

Šis koeficientas turi būti žinomas, kad būtų galima įvertinti konjuguotų medžiagų veikimą įvairaus dizaino, taip pat, kad kintant temperatūrai netrūktų ar nenutrūktų metalo vakuuminis sujungimas su stiklu ar keramika. Be to, jis įtrauktas į skaičiavimą temperatūros koeficientas laidų elektrinė varža

ТКR = α(R) = α(ρ) - α(l).

Laidininkų termoEMF

ThermoEMF atsiranda, kai susiliečia du skirtingi laidininkai (arba puslaidininkiai), jei jų sandūrų temperatūra nėra vienoda. Jei susiliečia du skirtingi laidininkai, tada a kontaktų skirtumas potencialai. Metalams A ir B

Ucb – Uc + K T / e ln(n0с / nob),

čia U c ir U b yra besiliečiančių metalų potencialai; elektronų koncentracija atitinkamuose metaluose;

K yra Boltzmanno konstanta;

T - temperatūra;

e - absoliuti vertė elektronų krūvis.

Jei metalinių sandūrų temperatūra vienoda, tai potencialų skirtumo suma uždaroje grandinėje lygi nuliui. Jei sluoksnių temperatūros skiriasi (pvz., T2 ir T1), tai šiuo atveju

U = K / e (T1 - T2) ln(nc / nb). (3.2)

Praktikoje išraiška (3.2) ne visada stebima, o termoEMF priklausomybė nuo temperatūros gali būti netiesinė. Viela sudaryta iš dviejų izoliuotų laidų skirtingi metalai arba lydiniai, vadinama termopora ir naudojama temperatūrai matuoti.

Tokiais atvejais bandoma naudoti medžiagas, kurios turi didelį ir stabilų termoEMF koeficientą. aukštoms temperatūroms matuoti, kartais prireikia (ypač matuojant temperatūrą agresyvioje aplinkoje) naudoti termoporas su mažesniais termoEdS koeficientais, bet atsparias aukštai temperatūrai ir neoksiduojančias agresyvioje aplinkoje.

Termoporos lydiniai turi įvairūs deriniai, įskaitant vieną elektrodą, gali būti pagamintas iš gryno metalo. Labiausiai paplitę yra nikelio ir vario-nikelio lydiniai. Temperatūroms 1000 - 1200 0C diapazone naudojamos chromelio - alumelio (TCA) termoporos, esant aukštesnei temperatūrai, naudojami platinos - platinos rodžio elektrodai; šiuose lydiniuose rodis svyruoja nuo 6,7 iki 40,5%. Tokių termoporų prekės ženklai yra tokie: PlRd-7, PlRd-10, PlRd-30, PlRd-40.

Klasikinė metalų elektrinio laidumo teorija atsirado XX amžiaus pradžioje. Jos įkūrėjas buvo vokiečių fizikas Karlas Rikke. Jis eksperimentiškai nustatė, kad, priešingai nei skysti elektrolitai, per metalą praleidžiant krūvį laidininko atomai neperkeliami. Tačiau šis atradimas nepaaiškino, kas tiksliai yra vežėjas elektriniai impulsai metalo struktūroje.

Į šį klausimą atsakyti leido mokslininkų Stewarto ir Tolmano eksperimentai, atlikti 1916 m. Jiems pavyko nustatyti, kad mažiausios įkrautos dalelės – elektronai – yra atsakingos už elektros energijos perdavimą metaluose. Šis atradimas sudarė klasikos pagrindą elektronų teorija metalų elektrinis laidumas. Nuo šios akimirkos tai prasidėjo nauja era metalinių laidininkų tyrimai. Dėl gautų rezultatų šiandien galime naudoti buitine technika, gamybos įranga, mašinos ir daugelis kitų įrenginių.

Kuo skiriasi skirtingų metalų elektrinis laidumas?

Elektroninė metalų elektrinio laidumo teorija buvo sukurta Paulo Drude tyrimuose. Jis sugebėjo atrasti tokią savybę kaip varža, kuri stebima elektros srovei einant per laidininką. Ateityje tai leis mums klasifikuoti skirtingos medžiagos pagal laidumo lygį. Iš gautų rezultatų nesunku suprasti, kuris metalas tinka konkrečiam kabeliui gaminti. Tai labai svarbus punktas, nes netinkamai parinkta medžiaga gali sukelti gaisrą dėl perkaitimo dėl perteklinės įtampos srovės.

Sidabrinis metalas turi didžiausią elektros laidumą. Esant +20 laipsnių Celsijaus temperatūrai, jis yra 63,3 * 104 centimetrai-1. Tačiau pagaminti laidus iš sidabro yra labai brangu, nes tai gana retas metalas, kuris visų pirma naudojamas papuošalams ir dekoratyviniams dirbiniams arba tauriųjų metalų monetoms gaminti.

Daugiausia turintis metalas didelis elektros laidumas Tarp visų nepadorios grupės elementų – varis. Jo indikatorius yra 57*104 centimetrai-1 esant +20 laipsnių Celsijaus temperatūrai. Varis yra vienas iš labiausiai paplitusių laidų, naudojamų buityje ir pramonėje. Jis gerai atlaiko nuolatines elektros apkrovas, yra patvarus ir patikimas. Aukšta temperatūra lydymas leidžia dirbti be problemų ilgą laikąįkaitintoje būsenoje.

Pagal gausą tik aliuminis gali konkuruoti su variu, kuris pagal elektros laidumą užima ketvirtą vietą po aukso. Jis naudojamas žemos įtampos tinkluose, nes turi beveik pusę vario lydymosi temperatūros ir negali atlaikyti didelių apkrovų. Tolimesnį vietų pasiskirstymą galima sužinoti pažvelgus į metalų elektrinio laidumo lentelę.

Verta paminėti, kad bet koks lydinys turi daug mažesnį laidumą nei gryna medžiaga. Taip yra dėl struktūrinio tinklo susijungimo ir dėl to normalaus elektronų veikimo sutrikimo. Pavyzdžiui, gamyboje varinė viela naudojama medžiaga, kurios priemaišų kiekis ne didesnis kaip 0,1%, o kai kurių tipų kabeliams šis rodiklis yra dar griežtesnis - ne daugiau kaip 0,05%. Visi pateikti rodikliai yra metalų elektrinis laidumas, kuris apskaičiuojamas kaip srovės tankio ir laidininko elektrinio lauko dydžio santykis.

Klasikinė metalų elektrinio laidumo teorija

Pagrindinius metalų elektrinio laidumo teorijos principus sudaro šeši punktai. Pirma: aukštas elektros laidumo lygis yra susijęs su buvimu didelis skaičius laisvųjų elektronų. Antra: elektros srovė kyla dėl išorinis poveikis ant metalo, kuriame elektronai juda iš atsitiktinio judėjimo į tvarkingą judėjimą.

Trečia: srovės, einančios per metalinį laidininką, stipris apskaičiuojamas pagal Ohmo dėsnį. Ketvirta: skirtingas numeris elementarios dalelės kristalinėje gardelėje lemia nevienodą metalų atsparumą. Penkta: elektros srovė grandinėje atsiranda iškart po to, kai pradeda veikti elektronai. Šešta: kylant vidinei metalo temperatūrai, didėja ir jo atsparumo lygis.

Metalų elektrinio laidumo pobūdis paaiškinamas antruoju nuostatų punktu. Ramioje būsenoje visi laisvieji elektronai chaotiškai sukasi aplink branduolį. Šiuo metu metalas negali pats daugintis. elektros krūviai. Bet jūs tiesiog turite prisijungti išorinis šaltinis smūgis, nes elektronai akimirksniu išsirikiuoja į struktūrinę seką ir tampa elektros srovės nešėjais. Kylant temperatūrai, metalų elektrinis laidumas mažėja.

Taip yra dėl to, kad jie silpnėja molekuliniai ryšiai kristalinėje grotelėje, elementariosios dalelės pradeda suktis dar chaotiškesne tvarka, todėl elektronų sujungimas į grandinę tampa sudėtingesnis. Todėl būtina imtis priemonių, kad laidininkai neperkaistų, nes tai neigiamai veikia jų eksploatacines savybes. Metalų elektrinio laidumo mechanizmas negali būti pakeistas dėl galiojančius įstatymus fizika. Bet galima neutralizuoti neigiamą išorinį ir vidinį poveikį, kuris trukdo normaliai proceso eigai.

Didelio elektros laidumo metalai

Elektros laidumas šarminiai metalai yra įjungtas aukšto lygio, nes jų elektronai yra silpnai prijungti prie branduolio ir lengvai išsirikiuoja norima seka. Tačiau šiai grupei būdingi žemi lydymosi taškai ir didžiulis cheminis aktyvumas, kuris daugeliu atvejų neleidžia jų naudoti laidų gamybai.

Metalai, turintys didelį elektros laidumą atidarius, yra labai pavojingi žmonėms. Palietus pliką laidą, galite nudegti elektra ir stipriai sutrenkti visas vietas. vidaus organai. Tai dažnai sukelia greitą mirtį. Todėl žmonių saugumui naudojamos specialios izoliacinės medžiagos.

Priklausomai nuo naudojimo, jie gali būti kieti, skysti arba dujiniai. Bet visi tipai yra skirti vienai funkcijai - izoliuoti elektros srovę grandinės viduje, kad ji negalėtų paveikti išorinis pasaulis. Metalų elektrinis laidumas naudojamas beveik visose srityse šiuolaikinis gyvenimasžmonių, todėl saugumo užtikrinimas yra svarbiausias prioritetas.

Elektroninis metalų laidumas

pradžioje buvo sukurta klasikinė elektroninė metalų laidumo teorija (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), kuri paprastai ir vaizdžiai paaiškino daugumą metalų elektrinių ir šiluminių savybių. Panagrinėkime kai kurias šios teorijos nuostatas.

Laisvieji elektronai

Metalinį laidininką sudaro:

1) teigiamo krūvio jonai, svyruojantys aplink pusiausvyros padėtį, ir

2) laisvieji elektronai, galintys judėti per visą laidininko tūrį.

Taigi, elektrines savybes metalų yra dėl to, kad juose yra laisvųjų elektronų, kurių koncentracija yra 1028 m–3, o tai maždaug atitinka atomų koncentraciją. Šie elektronai vadinami laidumo elektronais. Jie susidaro pašalinus juos iš metalo atomų valentiniai elektronai. Tokie elektronai nepriklauso jokiam konkrečiam atomui ir gali judėti per visą kūno tūrį. Metale, nesant elektrinio lauko, laidumo elektronai chaotiškai juda ir susiduria, dažniausiai su kristalinės gardelės jonais (1 pav.). Šių elektronų sankaupą galima apytiksliai laikyti tam tikromis elektronų dujomis, paklūstančioms dėsniams. idealios dujos. Vidutinis elektronų šiluminio judėjimo greitis kambario temperatūroje yra maždaug 105 m/s.

1 pav

Elektros srovė metaluose

Metalinės kristalinės gardelės jonai nedalyvauja kuriant srovę. Jų judėjimas praeinant srovei reikštų medžiagos pernešimą išilgai laidininko, kurio nepastebima. Pavyzdžiui, E. Riecke (1901) eksperimentuose masė ir cheminė sudėtis laidininkas nepasikeitė, kai srovė praėjo metus.

Eksperimentinis įrodymas Tai, kad srovę metaluose sukuria laisvieji elektronai, įrodė L.I. Mandelstamas ir N.D.Papaleksi (1912, rezultatai neskelbti), taip pat T. Stewart ir R. Tolman (1916). Jie atrado, kad staiga sustojus greitai besisukančiai ritei, ritės laidininke atsiranda elektros srovė, kurią sukuria neigiamą krūvį turinčios dalelės – elektronai.

Vadinasi, elektros srovė metaluose yra kryptingas laisvųjų elektronų judėjimas.

Kadangi elektros srovę metaluose sudaro laisvieji elektronai, metalinių laidininkų laidumas vadinamas elektroniniu laidumu.

Elektros srovė metaluose atsiranda veikiant išoriniam elektriniam laukui. Šiame lauke esančius laidumo elektronus veikia elektrinė jėga, suteikiant jiems pagreitį, nukreiptą priešinga lauko stiprumo vektoriui kryptimi. Dėl to elektronai įgauna tam tikrą papildomą greitį (tai vadinama dreifu). Šis greitis didėja tol, kol elektronas nesusiduria su atomu metalinėje kristalinėje gardelėje. Tokių susidūrimų metu elektronai praranda kinetinės energijos perteklių, perduodami ją jonams. Tada elektronai vėl greitinami elektrinio lauko, vėl lėtinami jonais ir pan. Vidutinis elektronų dreifo greitis yra labai mažas, apie 10–4 m/s.

Dabartinis sklidimo greitis ir dreifo greitis nėra tas pats dalykas. Srovės sklidimo greitis lygus elektrinio lauko sklidimo greičiui erdvėje, t.y. 3⋅108 m/s.

Susidūrę su jonais laidumo elektronai dalį kinetinės energijos perduoda jonams, dėl to padidėja kristalinės gardelės jonų judėjimo energija, taigi, laidininkas įkaista.

Metalų atsparumas

Metalų varža paaiškinama laidumo elektronų susidūrimais su kristalinės gardelės jonais. Akivaizdu, kad šiuo atveju kuo dažniau tokie susidūrimai įvyksta, t.y. kuo trumpesnė vidutinė elektrono laisvos kelionės tarp susidūrimų laikas τ, tuo didesnė metalo savitoji varža.

Savo ruožtu laikas τ priklauso nuo atstumo tarp gardelės jonų, jų virpesių amplitudės, elektronų sąveikos su jonais pobūdžio ir elektronų šiluminio judėjimo greičio. Didėjant metalo temperatūrai, didėja jonų virpesių amplitudė ir elektronų šiluminio judėjimo greitis. Taip pat daugėja kristalinės gardelės defektų. Visa tai veda prie to, kad kylant metalo temperatūrai dažniau įvyks elektronų susidūrimai su jonais, t.y. laikas τ mažėja, o metalo savitoji varža didėja.

Mandelstamo ir Papaleksi eksperimentas aiškinantis elektrono judėjimą

Jeigu elektronas turi masę, tai jo masė arba gebėjimas judėti pagal inerciją turėtų pasireikšti visur, ne tik elektriniame lauke. Rusijos mokslininkai L. I. Mandelštamas (1879-1949; radiofizikų mokyklos įkūrėjas) ir N. D. Papaleksi (1880 - 1947; didžiausias sovietų fizikas, akademikas, SSRS mokslų akademijos sąjunginės radiofizikos ir radijo inžinerijos mokslinės tarybos pirmininkas) atliko originalų eksperimentą 1913 m. Jie paėmė vielos ritę ir pradėjo ją sukti įvairiomis kryptimis.

Jie suksis, pavyzdžiui, pagal laikrodžio rodyklę, tada staiga sustos ir tada atgal.

Jie samprotavo maždaug taip: jei elektronai tikrai turi masę, tada, kai ritė staiga sustoja, elektronai kurį laiką turėtų judėti inercija. Elektronų judėjimas išilgai vielos yra elektros srovė. Atsitiko taip, kaip planavome. Prie laido galų prijungėme telefoną ir išgirdome garsą. Kadangi telefone girdimas garsas, juo teka srovė.

Mandelštamo ir Papaleksi patirtį 1916 metais pakartojo amerikiečių mokslininkai Tolmanas ir Stewartas. Jie taip pat susuko ritę, bet vietoj telefono prie jo galų prijungė prietaisą įkrovai matuoti. Jiems pavyko ne tik įrodyti elektronų masės egzistavimą, bet ir ją išmatuoti. Tolmano ir Stewarto duomenis tada daug kartų tikrino ir patikslino kiti mokslininkai, o dabar žinote, kad elektrono masė yra 9,109 10-31 kilogramas.

Rengdami šiuos eksperimentus rėmėmės tokia mintimi. Jei metale yra laisvų krūvių, turinčių masę, jie turi paklusti inercijos dėsniui. Sparčiai judantis laidininkas, pavyzdžiui, iš kairės į dešinę, yra šia kryptimi judančių metalo atomų rinkinys, kuris neša kartu su savimi. nemokami mokesčiai. Kai toks laidininkas staiga sustoja, jo sudėtyje esantys atomai sustoja; laisvieji krūviai pagal inerciją turi toliau judėti iš kairės į dešinę, kol įvairios kliūtys (susidūrimai su sustojusiais atomais) juos sustabdys. Atsirandantis reiškinys panašus į tai, kas stebima staiga sustojus tramvajui, kai „palaidi“ daiktai ir neprisikabinę žmonės inercija kurį laiką toliau juda į priekį.

Taigi, trumpas laikas laidininkui sustojus, jame esantys laisvieji krūviai turi judėti viena kryptimi. Tačiau krūvių judėjimas tam tikra kryptimi yra elektros srovė. Vadinasi, jei mūsų samprotavimai teisingi, tai po staigaus laidininko sustojimo turėtume tikėtis jame trumpalaikės srovės atsiradimo. Šios srovės kryptis leis mums spręsti apie ženklą. Įkrauti. Jei jie judės šia kryptimi neigiami krūviai, tada reikia stebėti srovę kryptimi iš dešinės į kairę ir atvirkščiai. Gaunama srovė priklauso nuo krūvių ir jų nešėjų gebėjimo išlaikyti savo judėjimą inercija daugiau ar mažiau ilgą laiką, nepaisant trukdžių, ty nuo jų masės. Taigi šis eksperimentas ne tik leidžia mums patikrinti, ar egzistuoja prielaida nemokami mokesčiai, bet ir nustatyti pačius krūvius, jų ženklą bei jų nešėjų masę (tiksliau, krūvio ir masės santykį guobos).

Praktiškai įgyvendinant eksperimentą pasirodė patogiau naudoti ne progresyvų, o sukamasis judėjimas dirigentas. Tokio eksperimento schema parodyta 2 pav.

2 pav

Prie ritės pritvirtinama vielos spiralė 1, į kurią viena nuo kitos yra izoliuotos dvi pusašys 00. Spiralės galai prilituojami prie abiejų ašies pusių ir sujungiami slankiojančiais kontaktais 2 („šepečiais“). prie jautraus galvanometro 3. Ritė įvedama greitas sukimasis ir tada staiga sulėtėjo. Eksperimentas iš tikrųjų atskleidė, kad šiuo atveju galvanometre atsirado elektros srovė. Šios srovės kryptis parodė, kad neigiami krūviai juda pagal inerciją. Išmatavus šios trumpalaikės srovės nešamą krūvį, buvo galima rasti laisvojo krūvio ir jo nešiklio masės santykį. Šis santykis pasirodė lygus e/m=l,8 1011 C/kg, kas gerai sutampa su kitais metodais nustatyta šio santykio reikšme elektronams.

Metalų vertę tiesiogiai lemia jų cheminės ir fizinės savybės. Rodiklio, pavyzdžiui, elektros laidumo, atveju šis ryšys nėra toks paprastas. Matuojant labiausiai elektrai laidus metalas šis rodiklis kambario temperatūroje (+20 °C), - sidabro.

Bet didelė kaina riboja sidabrinių dalių naudojimą elektrotechnikoje ir mikroelektronikoje. Sidabriniai elementai tokiuose įrenginiuose naudojami tik tuo atveju, jei tai ekonomiškai įmanoma.

Fizinė laidumo reikšmė

Metalinių laidininkų naudojimas turi ilgą istoriją. Mokslininkai ir inžinieriai, dirbantys mokslo ir technologijų srityse, kuriose naudojama elektra, jau seniai sprendė dėl medžiagų laidams, gnybtams, kontaktams ir kt. Tai padeda nustatyti elektrai laidiausią metalą pasaulyje. fizinis kiekis, vadinamas elektros laidumu.

Nugaros laidumo koncepcija elektrinė varža. Kiekybinė laidumo išraiška yra susijusi su pasipriešinimo vienetu, kuris yra tarptautinė sistema vienetai (SI) matuojami omais. SI vienetas yra siemens. Rusijos pavadinimasšio vieneto - cm, tarptautinis - S. 1 cm plotas turi elektros laidumą elektros tinklas kurių varža 1 omas.

Laidumas

Medžiagos gebėjimo pravesti elektros srovę matas vadinamas elektrai laidžiausiu metalu, kurio toks rodiklis yra didžiausias. Šią charakteristiką galima nustatyti instrumentiškai bet kuriai medžiagai ar terpei ir turi skaitinė išraiška. vienetinio ilgio ir vienetinio skerspjūvio ploto cilindrinio laido vertė yra susijusi su šio laidininko varža.

Sisteminis blokas laidumas yra Siemens vienam metrui - S/m. Norint išsiaiškinti, kuris metalas yra laidiausias elektrai pasaulyje, pakanka palyginti eksperimentiškai nustatytus jų laidumus. Atsparumą galite nustatyti naudodami specialų prietaisą - mikroohmetrą. Šios savybės yra atvirkščiai priklausomos.

Metalų laidumas

Pati kryptingo įkrautų dalelių srauto samprata atrodo harmoningesnė medžiagoms, kurių pagrindą sudaro metalams būdingos kristalinės gardelės. Krūvio nešikliai, kai metaluose atsiranda elektros srovė, yra laisvieji elektronai, o ne jonai, kaip yra skystos terpės. Eksperimentiškai nustatyta, kad esant srovei metaluose, tarp laidininkų nevyksta medžiagos dalelių pernešimas.

Metalinės medžiagos skiriasi nuo kitų tuo, kad turi laisvesnes jungtis atominiame lygmenyje. Vidinė struktūra metalams būdingas didelis skaičius „vienišų“ elektronų. kurios, esant mažiausiam elektromagnetinių jėgų poveikiui, sudaro kryptingą srautą. Todėl ne veltui metalai yra geriausi elektros srovės laidininkai, o būtent tokie molekulinės sąveikos išskirtas kaip labiausiai elektrai laidus metalas. Kita specifinė metalų savybė pagrįsta metalų kristalinės gardelės struktūrinėmis savybėmis – dideliu šilumos laidumu.

Geriausi laidininkai – metalai

4 metalai, turintys praktinę reikšmę Kad jie būtų naudojami kaip elektros laidininkai, jie paskirstomi tokia tvarka, atsižvelgiant į savitojo laidumo vertę, išmatuotą S/m:

1. Sidabras – 62 500 000.
2. Varis – 59 500 000.
3. Auksas – 45 500 000.
4. Aliuminis – 38 000 000.

Matyti, kad labiausiai elektrai laidus metalas yra sidabras. Bet kaip ir auksas, jis naudojamas elektros tinklui organizuoti tik ypatingais konkrečiais atvejais. Priežastis yra didelė kaina.

Tačiau varis ir aliuminis yra labiausiai paplitęs elektros prietaisų ir kabelių gaminių pasirinkimas dėl mažo atsparumo elektros srovei ir įperkamumo. Kiti metalai retai naudojami kaip laidininkai.

Metalų laidumą įtakojantys veiksniai

Netgi labiausiai elektrai laidus metalas sumažina savo laidumą, jei jame yra kitų priedų ir priemaišų. Lydinių kristalinės gardelės struktūra skiriasi nuo „grynųjų“ metalų. Jam būdingas simetrijos pažeidimas, įtrūkimai ir kiti defektai. Didėjant aplinkos temperatūrai, mažėja ir laidumas.

Padidėjęs atsparumas, būdingas lydiniams, naudojamas kaitinimo elementuose. Neatsitiktinai nichromas, fechralas ir kiti lydiniai naudojami elektrinių krosnių ir šildytuvų darbiniams elementams gaminti.

Labiausiai elektrai laidus metalas yra brangusis sidabras, kurį dažniausiai naudoja juvelyrai, monetoms kaldinti ir kt. Bet taip pat ir technologijoje bei instrumentų gamyboje, jo specialios cheminės ir fizines savybes yra plačiai naudojami. Pavyzdžiui, ne tik naudojamas komponentuose ir mazguose, kurių atsparumas yra mažesnis, bet ir sidabro padengimas apsaugo kontaktines grupes nuo oksidacijos. Dėl unikalių sidabro ir jo pagrindu pagamintų lydinių savybių jo naudojimas dažnai pateisinamas, nepaisant didelių sąnaudų.

« Fizika – 10 kl.

Kaip elektronai juda metaliniame laidininke, kai jame nėra elektrinio lauko?
Kaip keičiasi elektronų judėjimas, kai į metalinį laidininką patenka įtampa?

Elektros srovę vykdo kietos medžiagos, skysčiai ir dujiniai kūnai. Kuo šie laidininkai skiriasi vienas nuo kito?

Susipažinote su elektros srove metaliniuose laiduose ir su eksperimentiškai nustatyta šių laidininkų srovės-įtampos charakteristika – Omo dėsniu.

Kartu su metalais jie yra geri laidininkai, t.y. medžiagos su didelis skaičius laisvų įkrautų dalelių yra vandeniniai tirpalai arba elektrolitų ir jonizuotų dujų lydalai – plazma. Šie laidininkai plačiai naudojami technikoje.

Vakuume elektroniniai prietaisai Elektros srovę sudaro elektronų srautai.

Metaliniai laidininkai plačiai naudojami perduodant elektros energiją iš srovės šaltinių vartotojams. Be to, šie laidininkai naudojami elektros varikliuose ir generatoriuose, elektriniuose šildymo įrenginiuose ir kt.

Išskyrus laidininkai Ir dielektrikai(medžiagos, kurių santykinai nedidelį kiekį laisvai įkrautos dalelės), yra medžiagų grupė, kurios laidumas yra tarpinė padėtis tarp laidininkų ir dielektrikų. Šios medžiagos praleidžia elektrą nepakankamai gerai, kad jas būtų galima pavadinti laidininkais, bet ne taip prastai, kad jas būtų galima priskirti prie dielektrikų. Štai kodėl jie gavo pavadinimą puslaidininkiai.

Ilgą laiką puslaidininkiai nevaidino reikšmingo praktinio vaidmens. Elektrotechnikoje ir radijo inžinerijoje buvo naudojami tik įvairūs laidininkai ir dielektrikai. Situacija labai pasikeitė, kai iš pradžių teoriškai buvo numatyta, o vėliau atrasta ir ištirta lengvai įgyvendinama galimybė valdyti puslaidininkių elektrinį laidumą.

Universalaus srovės nešiklio nėra. Lentelėje rodomi esami operatoriai skirtingos aplinkos.

Elektroninis metalų laidumas.

Pradėkime nuo metalinių laidininkų. Žinome šių laidininkų srovės-įtampos charakteristikas, tačiau iki šiol nieko nepasakyta apie jos paaiškinimą molekulinės kinetinės teorijos požiūriu.

Laisvųjų krūvių nešėjai metaluose yra elektronai. Jų koncentracija didelė – apie 10 28 1/m 3.

Šie elektronai dalyvauja atsitiktiniame šiluminiame judėjime. Veikiami elektrinio lauko, jie pradeda tvarkingai judėti vidutiniu 10–4 m/s greičiu.

Eksperimentinis laisvųjų elektronų egzistavimo metaluose įrodymas.

Eksperimentinis įrodymas, kad metalų laidumą lemia laisvųjų elektronų judėjimas, buvo pateiktas Mandelstamo ir Papaleksi (1913), Stewarto ir Tolmano (1916) eksperimentuose. Šių eksperimentų schema yra tokia.

Ant ritės vyniojama viela, kurios galai prilituojami prie dviejų vienas nuo kito izoliuotų metalinių diskų (16.1 pav.). Prie diskų galų slankiojančiais kontaktais prijungiamas galvanometras.

Ritė greitai sukasi ir staiga sustabdoma. Staigiai sustojus ritei, laisvai įkrautos dalelės kurį laiką inercija juda laidininko atžvilgiu, todėl ritėje atsiranda elektros srovė. Srovė egzistuoja trumpai, nes dėl laidininko pasipriešinimo įkrautos dalelės sulėtėja ir sustoja tvarkingas dalelių judėjimas, sudarantis srovę.

Srovės kryptis šiame eksperimente rodo, kad ją sukuria neigiamai įkrautų dalelių judėjimas. Perduotas krūvis šiuo atveju yra proporcingas srovę sukuriančių dalelių krūvio ir jų masės santykiui, t.y. |q|/m. Todėl išmatavus krūvį, einantį per galvanometrą srovės egzistavimo grandinėje metu, buvo galima nustatyti šį santykį. Paaiškėjo, kad jis lygus 1,8 10 11 C/kg. Ši vertė sutapo su elektrono krūvio ir jo masės santykiu e/m, anksčiau rastu iš kitų eksperimentų.

Elektronų judėjimas metale.

Laisvieji elektronai metale juda atsitiktinai. Kai laidininkas yra prijungtas prie srovės šaltinio, jame susidaro elektrinis laukas ir elektronus pradeda veikti Kulono jėga= q e . Veikiant šiai jėgai, elektronai pradeda judėti kryptingai, t.y. chaotiškas elektronų judėjimas uždedamas kryptingo judėjimo greičiui ir kurį laiką didėja t 0, kol įvyksta elektronų susidūrimas su jonais. kristalinė gardelė. Tokiu atveju elektronai praranda judėjimo kryptį, o tada vėl pradeda judėti kryptingai. Taigi elektrono kryptingo judėjimo greitis svyruoja nuo nulio iki tam tikro maksimali vertė, lygus Dėl to vidutinis tvarkingo elektronų judėjimo greitis yra lygus, ty proporcingas elektrinio lauko stipriui laidininke: υ ~ E ir todėl potencialų skirtumui laidininko galuose, kadangi kur l yra laidininko ilgis.

Srovės stipris laidininke proporcingas tvarkingo dalelių judėjimo greičiui (žr. (15.2) formulę). Todėl galime pasakyti, kad srovės stipris yra proporcingas potencialų skirtumui laidininko galuose: I ~ U.

Tai yra Kokybinis Ohmo dėsnio paaiškinimas remiantis elektronine metalo laidumo teorija.

Neįmanoma sukurti patenkinamos kiekybinės elektronų judėjimo metale teorijos, pagrįstos klasikinės mechanikos dėsniais. Faktas yra tas, kad elektronų judėjimo metale sąlygos yra tokios klasikinė mechanika Niutonas netaikomas šiam judėjimui apibūdinti. Šis faktas patvirtina, pavyzdžiui, atsparumo priklausomybę nuo temperatūros. Pagal klasikinė teorija metalų, kuriuose elektronų judėjimas nagrinėjamas remiantis antruoju Niutono dėsniu, laidininko varža yra proporcinga tam pačiam eksperimentui. tiesinė priklausomybė atsparumas temperatūrai.