Metallerin elektronik iletkenliğinin özellikleri nelerdir? Metallerin elektronik iletkenliği – Bilgi Hipermarketi

Metallerin elektronik iletkenliği

20. yüzyılın başında, metallerin elektriksel ve termal özelliklerinin çoğunun basit ve görsel bir açıklamasını sağlayan klasik elektronik metal iletkenlik teorisi oluşturuldu (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904). Bu teorinin bazı hükümlerini ele alalım.

Serbest elektronlar

Metal iletken aşağıdakilerden oluşur:

1) denge konumu etrafında salınan pozitif yüklü iyonlar ve

2) iletkenin tüm hacmi boyunca hareket edebilen serbest elektronlar.

Böylece, elektriksel özellikler metallerin oluşumu, yaklaşık olarak atom konsantrasyonuna karşılık gelen, yaklaşık 1028 m-3 konsantrasyona sahip serbest elektronların varlığından kaynaklanmaktadır. Bu elektronlara iletim elektronları denir. Metal atomlarından uzaklaştırılarak oluşturulurlar değerlik elektronları. Bu tür elektronlar herhangi bir atoma ait değildir ve vücudun tüm hacmi boyunca hareket edebilirler. Yokluğunda metalde Elektrik alanıİletim elektronları düzensiz hareket eder ve çoğunlukla iyonlarla çarpışır kristal kafes(Şekil 1). Bu elektronların toplamı yaklaşık olarak belirli bir sayı olarak kabul edilebilir. elektron gazı, yasalara tabi Ideal gaz. Oda sıcaklığında elektronların ortalama termal hareket hızı yaklaşık 105 m/s'dir.

Resim 1

Metallerde elektrik akımı

Metal kristal kafesin iyonları akımın yaratılmasında rol almaz. Akımın geçişi sırasındaki hareketleri, gözlenemeyen, iletken boyunca madde aktarımı anlamına gelecektir. Örneğin E. Riecke'nin (1901) deneylerinde kütle ve kimyasal bileşim Bir yıl boyunca akım geçtiğinde iletken değişmedi.

Deneysel kanıt Metallerdeki akımın serbest elektronlar tarafından yaratıldığı L.I.'nin deneylerinde gösterilmiştir. Mandelstam ve N.D. Papaleksi (1912, sonuçlar yayınlanmadı) ve ayrıca T. Stewart ve R. Tolman (1916). Hızla dönen bir bobin aniden durduğunda, bobin iletkeninde negatif yüklü parçacıklar (elektronlar) tarafından oluşturulan bir elektrik akımının ortaya çıktığını keşfettiler.

Sonuç olarak metallerdeki elektrik akımı serbest elektronların yönlü hareketidir.

Metallerde elektrik akımı oluştuğundan serbest elektronlar ise metalik iletkenlerin iletkenliğine elektronik iletkenlik denir.

Metallerdeki elektrik akımı, harici bir elektrik alanının etkisi altında ortaya çıkar. Bu alanda bulunan iletim elektronları şunlardan etkilenir: Elektrik gücü onlara alan kuvveti vektörünün tersi yönde ivme kazandırıyor. Sonuç olarak, elektronlar belirli bir ek hız kazanır (buna sürüklenme denir). Bu hız, elektron metal kristal kafesindeki bir atomla çarpışana kadar artar. Bu tür çarpışmalar sırasında elektronlar fazla kinetik enerjilerini kaybederek onu iyonlara aktarırlar. Daha sonra elektronlar yine elektrik alanı tarafından hızlandırılır, yine iyonlar vb. tarafından yavaşlatılır. Ortalama elektron sürüklenme hızı çok küçüktür, yaklaşık 10-4 m/s.

Mevcut yayılma hızı ile sürüklenme hızı aynı şey değildir. Akımın yayılma hızı, elektrik alanının uzayda yayılma hızına eşittir; 3⋅108 m/s.

İyonlarla çarpışırken, iletim elektronları kinetik enerjinin bir kısmını iyonlara aktarır, bu da kristal kafesin iyonlarının hareket enerjisinde bir artışa ve sonuç olarak iletkenin ısınmasına yol açar.

Metal direnci

Metallerin direnci, iletken elektronların kristal kafesin iyonlarıyla çarpışmasıyla açıklanır. Bu durumda, açıkçası, bu tür çarpışmalar ne kadar sık ​​meydana gelirse, yani bir elektronun çarpışmalar arasındaki ortalama serbest seyahat süresi (τ) ne kadar kısa olursa, o kadar büyük olur. direnç metal

Buna karşılık, τ süresi kafes iyonları arasındaki mesafeye, titreşimlerinin genliğine, elektronların iyonlarla etkileşiminin doğasına ve elektronların termal hareket hızına bağlıdır. Metalin sıcaklığı arttıkça iyon titreşimlerinin genliği ve elektronların termal hareket hızı artar. Kristal kafes kusurlarının sayısı da artar. Bütün bunlar, metalin sıcaklığı arttıkça elektronların iyonlarla çarpışmasının daha sık meydana geleceği gerçeğine yol açmaktadır; τ süresi azalır ve metalin direnci artar.

Elektronun hareketini aydınlatmak için Mandelstam ve Papaleksi'nin deneyi

Eğer bir elektronun kütlesi varsa, o zaman kütlesi ya da eylemsizlikle hareket etme yeteneği yalnızca elektrik alanında değil, her yerde ortaya çıkmalıdır. Rus bilim adamları L. I. Mandelstam (1879-1949; radyofizikçiler okulunun kurucusu) ve N. D. Papaleksi (1880 - 1947; en büyüğü) Sovyet fizikçisi, akademisyen, SSCB Bilimler Akademisi Tüm Birlik Radyofizik ve Radyo Mühendisliği Bilimsel Konseyi başkanı) 1913'te orijinal bir deney gerçekleştirdi. Bir tel bobini alıp onu farklı yönlere bükmeye başladılar.

Örneğin saat yönünde dönecekler, sonra aniden duracak ve sonra geri dönecekler.

Şöyle bir mantık yürüttüler: Eğer elektronların gerçekten kütlesi varsa, o zaman bobin aniden durduğunda, elektronların bir süre ataletle hareket etmeye devam etmeleri gerekir. Elektronların bir tel boyunca hareketi bir elektrik akımıdır. Planladığımız gibi oldu. Telin uçlarına telefon bağladık ve bir ses duyduk. Telefonda ses duyulduğu için üzerinden akım akar.

Mandelstam ve Papaleksi'nin deneyimi 1916'da Amerikalı bilim adamları Tolman ve Stewart tarafından tekrarlandı. Bobini de büktüler ama uçlarına telefon yerine şarjı ölçecek bir cihaz bağladılar. Sadece elektron kütlesinin varlığını kanıtlamayı değil, aynı zamanda onu ölçmeyi de başardılar. Tolman ve Stewart'ın verileri daha sonra diğer bilim adamları tarafından birçok kez kontrol edildi ve geliştirildi ve artık elektronun kütlesinin 9.109 10-31 kilogram olduğunu biliyorsunuz.

Bu deneyleri kurarken şu düşünceden yola çıktık. Bir metalde kütlesi olan serbest yükler varsa, bu durumda eylemsizlik yasasına uymaları gerekir. Örneğin soldan sağa doğru hızla hareket eden bir iletken, bu yönde hareket eden ve kendileriyle birlikte hareket eden metal atomlarının bir topluluğudur. ücretsiz masraflar. Böyle bir iletken aniden durduğunda bileşimindeki atomlar da durur; Atalet nedeniyle serbest yükler, çeşitli engeller (duran atomlarla çarpışmalar) onları durdurana kadar soldan sağa doğru hareket etmeye devam etmelidir. Ortaya çıkan olay, bir tramvayın aniden durması, "gevşek" nesnelerin ve araca bağlı olmayan insanların bir süre ataletle ilerlemeye devam etmesi durumunda gözlemlenen olaya benzer.

Böylece, kısa zaman iletken durduktan sonra içindeki serbest yüklerin bir yönde hareket etmesi gerekir. Ancak yüklerin belirli bir yönde hareketi bir elektrik akımıdır. Sonuç olarak, eğer muhakememiz doğruysa, iletkenin ani bir şekilde durmasının ardından, içinde kısa süreli bir akımın ortaya çıkmasını beklemeliyiz. Bu akımın yönü burcu değerlendirmemize olanak sağlayacaktır. Şarj. Bu yönde hareket ederlerse negatif masraflar, o zaman sağdan sola ve tersi yönde bir akım gözlemlenmelidir. Ortaya çıkan akım, yüklere ve taşıyıcılarının, müdahaleye rağmen, yani kütlelerine rağmen, atalet yoluyla hareketlerini az çok uzun bir süre sürdürme yeteneklerine bağlıdır. Dolayısıyla bu deney sadece varlığın varsayımını doğrulamamıza izin vermekle kalmıyor. ücretsiz masraflar aynı zamanda yüklerin kendilerini, işaretlerini ve taşıyıcılarının kütlelerini (daha kesin olarak yük-kütle oranı karaağaç) belirlemek için de kullanılır.

Deneyin pratik uygulamasında ilerici değil, kullanmanın daha uygun olduğu ortaya çıktı. dönme hareketi kondüktör. Böyle bir deneyin diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir.

şekil 2

İçinde iki yarı eksenin (00) birbirinden izole edildiği bir bobin üzerine bir tel spiral (1) monte edilir. Spiralin uçları, eksenin her iki yarısına da lehimlenir ve kayar kontaklar (2) ("fırçalar") kullanılarak bağlanır. hassas bir galvanometre 3. Bobin tahrik edilir hızlı dönüş ve sonra aniden yavaşladım. Deney aslında bu durumda galvanometrede bir elektrik akımının ortaya çıktığını ortaya çıkardı. Bu akımın yönü, negatif yüklerin ataletle hareket ettiğini gösteriyordu. Bu kısa süreli akımın taşıdığı yükü ölçerek serbest yükün taşıyıcının kütlesine oranını bulmak mümkün oldu. Bu oranın e/m=1.8 1011 C/kg'a eşit olduğu ortaya çıktı; bu, elektronlar için bu oranın diğer yöntemlerle belirlenen değeriyle oldukça örtüşüyor.

Metallerin elektriksel iletkenliği, elementlerin ve cisimlerin belirli miktarda negatif yüklü parçacıkları kendi aralarında iletme yeteneğidir. Gerçek tutma elektrik akımı oldukça basit bir şekilde açıklanabilir - etkinin bir sonucu olarak elektromanyetik alan iletken bir metal üzerinde elektron, hareketini o kadar hızlandırır ki atomla bağlantısını kaybeder.

İÇİNDE Uluslararası sistemÖlçüm birimleri Elektriksel iletkenlik S harfi ile gösterilir ve siemens cinsinden ölçülür.

Yük taşıyıcıların türüne ve yapısına bağlı olarak iletkenlik elektronik, iyonik ve delik olabilir. Metallerin elektronik iletkenliği vardır. Böyle bir iletkenlik aynı zamanda üst katmanlar Elektronların pozitif yüklü iyonlarla birleşmeden serbestçe hareket edebildiği, maddenin yoğunluğunun düşük olduğu atmosfer. Sıvı elektronlar iyonik iletkenliğe sahiptir. Yük taşıyıcı olan iyonlar hareket halindeyken maddeyi hareket ettirir, bunun sonucunda elektrotlar üzerinde salınır. Kopma nedeniyle bir iletim mekanizması mümkündür. değerlik bağı, bağlantının eksik olduğu boş bir pozisyonun ortaya çıkmasına neden olur. Bağ elektronlarının eksik olduğu böyle "boş" bir yere delik denir. İletken kristalde bir delik görünümü oluşur ek fırsatücret aktarımı için. Elektronların hareketinin eşlik ettiği bu işleme delik iletkenliği denir.

Metallerin elektriksel iletkenliği. Elektriksel iletkenlik türleri. Fermi seviyesi.

Elektriksel iletkenlik türleri

Yük taşıyıcıların türüne ve yapısına bağlı olarak iletkenlik elektronik, iyonik ve delik olabilir.

Metallerin elektronik iletkenliği vardır.

Sıvı maddeler iyonik iletkenliğe sahiptir. Yük taşıyıcı olan iyonlar, maddeyi hareket ettirirken hareket ettirerek elektrotlar üzerinde salınmasına neden olur.

Değerlik bağının kopması olası bir iletim mekanizmasına neden olur ve bu da bağın eksik olduğu boş bir alanın ortaya çıkmasına neden olur. Bağ elektronlarının eksik olduğu böyle "boş" bir yere delik denir. İletken kristalinde bir deliğin ortaya çıkması, yük aktarımı için ek bir fırsat yaratır. Elektronların hareketinin eşlik ettiği bu işleme delik iletkenliği denir.

Elektrik akımının iletkeni olarak görev yapabilir katılar, sıvılar ve uygun koşullar altında gazlar.

Katı iletkenler metalleri, metal alaşımlarını ve bazı karbon modifikasyonlarını içerir.

Metaller, elektriği ve ısıyı iyi ileten karakteristik parlaklığa sahip plastik maddelerdir. Elektronik ekipmanların malzemeleri arasında metaller en önemli yerlerden birini işgal etmektedir.

Sıvı iletkenler arasında erimiş metaller ve çeşitli elektrolitler bulunur. Genel olarak metalin erime noktası yüksektir, erime noktası -39°C olan cıva (Hg) hariç. Bu nedenle ne zaman normal sıcaklık Sıvı metal iletken olarak yalnızca cıva kullanılabilir. Galyum (Ga) da normale yakın bir sıcaklığa (29,8°C) sahiptir. Diğer metaller yalnızca yüksek veya yüksek sıcaklıklarda sıvı iletkendir.

Akımın katı ve sıvı haldeki metallerden geçiş mekanizması, serbest elektronların hareketi ile belirlenir. Bu nedenle iletkenler olarak adlandırılırlar. elektronik iletkenlik veya birinci türden iletkenler.

Elektrolitler veya ikinci tür iletkenler asitlerin, alkalilerin ve tuzların yanı sıra eriyiklerin (çoğunlukla sulu) çözeltileridir. iyonik bileşikler. Akımların bu tür iletkenlerden geçişi, aktarımla birlikte elektrik ücretleri moleküllerin (iyonların) parçaları. Sonuç olarak, elektrolitin bileşimi yavaş yavaş değişir ve elektroliz ürünleri elektrotlar üzerinde salınır.

Metal buharları da dahil olmak üzere tüm gazlar ve buharlar, düşük elektrik alan kuvvetlerinde akım iletmez. Ancak alan kuvveti belirli bir sınırın üzerindeyse kritik değer darbenin ve fotoiyonizasyonun başlamasını sağlayarak gaz, elektronik ve iyonik iletkenliğe sahip bir iletken haline gelebilir. Eşit sayıda elektrona sahip, oldukça iyonize bir gaz ve pozitif iyonlar birim hacim başına plazma adı verilen denge iletken bir ortamdır.

Klasik dayalı elektron teorisi Drude ve Lorentz tarafından geliştirilen metaller, serbest elektronlardan oluşan bir elektron gazı fikri yatıyor. İdeal bir gazın özellikleri elektron gazına atfedilir; elektronların hareketi yasalara uyar klasik istatistik

Eğer harici bir voltaj uygulanırsa, elektronlar aynı yöne doğru bir miktar ilave yönsel hareket hızı alacaktır. aktif kuvvetler elektrik akımının ortaya çıktığı alanlar.

Yönlendirilmiş hareket sürecinde elektronlar kafes bölgelerindeki atomlarla çarpışır. Bu durumda, elektrik alanın etkisi altında hareket hızı yavaşlar ve ardından hızlanır:

Serbest elektronların varlığı şu şekilde belirlenir: yüksek termal iletkenlik metaller Sürekli hareket halinde olan elektronlar sürekli olarak iyonlarla çarpışır ve onlarla enerji alışverişinde bulunur. Bu nedenle, metalin belirli bir kısmında ısınma nedeniyle artan iyon titreşimleri hemen komşu iyonlara, onlardan diğerine vb. İletilir ve metalin termal durumu hızla dengelenir; tüm metal kütlesi aynı sıcaklığı varsayar.

Isı iletkenliği, bir maddenin zamanla değişmeyen bir sıcaklık farkının etkisi altında ısı akışını iletme (iletme) özelliği olarak tanımlanabilir.

Fermi enerjisi E F - maksimum değer Bir elektronun sıcaklıkta sahip olabileceği enerji tamamen sıfır. Fermi enerjisi, fermiyon gazının kimyasal potansiyelinin değerleriyle çakışmaktadır. T =0K yani elektronlar için Fermi seviyesi, yüksüz parçacıklar için kimyasal potansiyel seviyesinin rolünü oynar. Buna karşılık gelen potansiyel j F = E F /e elektrokimyasal potansiyel denir.

Dolayısıyla metallerdeki Fermi seviyesi veya Fermi enerjisi, bir elektronun mutlak sıfır sıcaklıkta sahip olabileceği enerjidir. Bir metal ısıtıldığında, Fermi seviyesine yakın bulunan bazı elektronlar uyarılır (değeri yaklaşık kT). Ancak Fermi seviyesine karşılık gelen enerjiye sahip bir seviye için herhangi bir sıcaklıkta dolma olasılığı 1/2'dir. Fermi seviyesinin altında bulunan tüm seviyelerin 1/2 elektronlarla doludur ve Fermi seviyesinin üzerinde bulunan tüm seviyelerin 1/2 elektronlardan arınmış.

Fermi enerjisinin varlığı Pauli ilkesinin bir sonucudur. Fermi enerjisinin değeri sistemin özelliklerine önemli ölçüde bağlıdır.

Elektriği en iyi iletenler metallerdir. Metaller iyi elektrik iletkenliklerini yine serbest elektronlara borçludur.

Bir ampulü, fayansı veya başka herhangi bir şeyi taktığımızda elektrikli araç gereç akım kaynağına, tellerde, bir ampulün filamanında, bir fayansın spiralinde anında büyük değişiklikler meydana gelir: elektronlar eski tam hareket özgürlüğünü kaybeder ve akım kaynağının pozitif kutbuna doğru koşar. Elektronların bu yönlendirilmiş akışı metallerdeki elektrik akımıdır.

Elektronların akışı metal boyunca engellenmeden ilerlemez; yolda iyonlarla karşılaşır. Bireysel elektronların hareketi yavaşlar. Elektronlar, iyonların titreşim hareketinin hızının artması nedeniyle enerjilerinin bir kısmını iyonlara aktarırlar. Bu iletkenin ısınmasına neden olur.

Farklı metallerin iyonları elektronların hareketine karşı farklı direnç sunar. Direnç küçükse metal akım tarafından zayıf bir şekilde ısıtılır, ancak direnç yüksekse metal ısınabilir. Elektrikli sobaya akım sağlayan bakır teller neredeyse hiç ısınmaz, çünkü elektrik direnci bakır ihmal edilebilir düzeydedir. Ve karonun nikrom spirali kırmızı-sıcak hale gelir. Ampulün tungsten filamanı daha da fazla ısınır.

Gümüş ve bakır en yüksek elektrik iletkenliğine sahiptir, bunu altın, krom, alüminyum, manganez, tungsten vb. takip eder. Demir, cıva ve titanyum akımı zayıf şekilde iletir. Gümüşün elektrik iletkenliği 100 alınırsa bakırın elektrik iletkenliği 94, alüminyumun 55, demir ve cıvanın 2, titanyumun ise sadece 0,3 olur.

Gümüş pahalı bir metaldir ve elektrik mühendisliğinde çok az kullanılır, ancak bakır tellerin, kabloların, lastiklerin ve diğer elektrikli ürünlerin imalatında büyük miktarlarda kullanılır. Alüminyumun elektrik iletkenliği bakırınkinden 1,7 kat daha azdır ve bu nedenle alüminyum, elektrik mühendisliğinde bakırdan daha az kullanılır.

Gümüş, bakır, altın, krom, alüminyum,..., kurşun, cıva. Metallerin ısı iletkenliği giderek azalan bir seri halinde yaklaşık olarak aynı sırada durduklarını gördük (bkz. sayfa 33).

Elektrik akımını en iyi iletkenler, kural olarak aynı zamanda ısıyı da en iyi iletkenlerdir. Metallerin termal iletkenliği ile elektriksel iletkenliği arasında belirli bir ilişki vardır ve bir metalin elektriksel iletkenliği ne kadar yüksekse, genellikle termal iletkenliği de o kadar yüksek olur.

Saf metaller her zaman elektriği alaşımlarından daha iyi iletir. Bu şu şekilde açıklanmaktadır. Safsızlıkları oluşturan elementlerin atomları, metalin kristal kafesine sıkışarak onun düzenliliğini bozar. Sonuç olarak kafes, elektron akışına karşı daha ciddi bir engel haline gelir.

Bakır önemsiz miktarda yabancı madde içeriyorsa (yüzde onda biri ve hatta yüzde biri) elektrik iletkenliği zaten büyük ölçüde azalmıştır. Bu nedenle elektrik mühendisliğinde ağırlıklı olarak yalnızca %0,05 yabancı madde içeren çok saf bakır kullanılır. Ve tam tersi, yüksek dirençli bir malzemenin gerekli olduğu durumlarda - reostatlar için), çeşitli ısıtma cihazları için alaşımlar kullanılır - nikrom, nikel, konstantan ve diğerleri.

Bir metalin elektriksel iletkenliği aynı zamanda işlenmesinin niteliğine de bağlıdır. Haddeleme, çekme ve kesme işlemleri sonrasında metalin elektrik iletkenliği azalır. Bunun nedeni, işlem sırasında kristal kafesin bozulması ve içinde serbest elektronların hareketini engelleyen kusurların oluşmasıdır.

Metallerin elektriksel iletkenliğinin sıcaklığa bağımlılığı çok ilginçtir. Isıtıldığında metalin kristal kafesindeki iyonların titreşim aralığının ve hızının arttığını zaten biliyoruz. Bu bakımdan elektron akışına karşı iyon direncinin de artması gerekir. Aslında sıcaklık ne kadar yüksek olursa iletkenin akıma karşı direnci de o kadar yüksek olur. Erime sıcaklıklarında çoğu metalin direnci bir buçuk ila iki kat artar.

Soğurken tam tersi bir olay meydana gelir: düzensiz salınım hareketi Kafes bölgelerindeki iyonlar azalır, elektron akışına karşı direnç azalır ve elektriksel iletkenlik artar.

Bilim insanları, derin (çok güçlü) soğutma sırasında metallerin özelliklerini incelerken dikkate değer bir olguyu keşfettiler: mutlak sıfıra yakın, yani eksi 273,16° civarındaki sıcaklıklarda metaller elektrik direncini tamamen kaybediyor. “İdeal iletkenler” haline gelirler: kapalı bir metal halkada akım zayıflamaz uzun zamandır, halka artık mevcut kaynağa bağlı olmasa da! Bu olaya süperiletkenlik denir. Alüminyum, çinko, kalay, kurşun ve diğer bazı metallerde görülür. Bu metaller eksi 263°'nin altındaki sıcaklıklarda süper iletken hale gelir.

Süperiletkenlik nasıl açıklanır? Neden bazı metaller mükemmel iletkenliğe ulaşırken diğerleri başaramıyor? Bu soruların henüz cevabı yok. Süperiletkenlik olgusu, metallerin yapısı teorisi açısından büyük önem taşıyor ve şu anda Sovyet bilim adamları tarafından inceleniyor. Akademisyen L. D. Landau ve SSCB Bilimler Akademisi Sorumlu Üyesi A. I. Shalnikov'un bu alandaki çalışmaları Stalin Ödüllerine layık görüldü.

>>Fizik: Metallerin elektronik iletkenliği

Metal iletkenlerle başlayalım. Bu iletkenlerin akım-gerilim karakteristiğini biliyoruz, ancak moleküler kinetik teori açısından açıklaması hakkında şu ana kadar hiçbir şey söylenmedi.
Metallerdeki serbest yüklerin taşıyıcıları elektronlardır. Konsantrasyonları yüksektir - yaklaşık 10 28 1/m3. Bu elektronlar rastgele termal harekete katılırlar. Elektrik alanın etkisi altında ortalama 10-4 m/s hızla düzenli bir şekilde hareket etmeye başlarlar.
Metallerde serbest elektronların varlığının deneysel kanıtı. Metallerin iletkenliğinin serbest elektronların hareketinden kaynaklandığına dair deneysel kanıt, L.I. Mandelstam ve N.D. Papaleksi (1913), B. Stewart ve R. Tolman'ın (1916) deneylerinde verilmiştir. Bu deneylerin şeması aşağıdaki gibidir.
Uçları birbirinden izole edilmiş iki metal diske lehimlenen bir bobin üzerine bir tel sarılır ( Şekil 16.1). Kayan kontaklar kullanılarak disklerin uçlarına bir galvanometre bağlanır.

Makara hızlı dönüşe getirilir ve ardından aniden durdurulur. Bobinin ani bir duruşundan sonra, serbest yüklü parçacıklar iletkene göre ataletle bir süre hareket eder ve bu nedenle bobinde bir elektrik akımı ortaya çıkar. Akım kısa bir süre için mevcuttur, çünkü iletkenin direnci nedeniyle yüklü parçacıklar yavaşlar ve akımı oluşturan parçacıkların düzenli hareketi durur.
Bu deneydeki akımın yönü, negatif yüklü parçacıkların hareketiyle oluştuğunu düşündürmektedir. Bu durumda aktarılan yük, akımı oluşturan parçacıkların yükünün kütlelerine oranıyla orantılıdır; |q|/m. Dolayısıyla devrede akımın varlığı sırasında galvanometreden geçen yükü ölçerek bu oranı belirlemek mümkün oldu. 1,8 10 11 C/kg'a eşit olduğu ortaya çıktı. Bu değer elektron yükünün kütlesine oranıyla çakışıyordu. e/m, diğer deneylerden daha önce bulundu.
Bir metalde elektronların hareketi. Elektronlar, elektrik alanından kendilerine etki eden kuvvetin etkisi altında, belirli bir düzenli hareket hızı kazanırlar. Bu hız zamanla daha fazla artmaz, çünkü kristal kafesin iyonlarıyla çarpışarak elektronlar yön hareketini kaybeder ve daha sonra bir elektrik alanının etkisi altında tekrar yön olarak hareket etmeye başlar. Sonuç olarak, elektronların düzenli hareketinin ortalama hızının iletkendeki elektrik alan kuvveti ile orantılı olduğu ortaya çıkar. v~E ve dolayısıyla iletkenin uçlarındaki potansiyel fark, çünkü , Nerede ben- iletkenin uzunluğu.
İletkendeki akım gücü, parçacıkların düzenli hareketinin hızıyla orantılıdır (bkz. formül (15.2)). Dolayısıyla akım gücünün iletkenin uçlarındaki potansiyel farkla orantılı olduğunu söyleyebiliriz: BEN~sen. Bu Ohm yasasının niteliksel açıklaması metallerin iletkenliğinin elektronik teorisine dayanmaktadır.
Bir metaldeki elektronların hareketi hakkında klasik mekaniğin kanunlarına dayanarak tatmin edici bir niceliksel teori oluşturmak imkansızdır. Gerçek şu ki, bir metaldeki elektronların hareketi için koşullar öyledir ki Klasik mekanik Newton bu hareketi tanımlamak için geçerli değildir.
Bu en açık şekilde görülüyor aşağıdaki örnek. Oda sıcaklığında bir metaldeki elektronların termal hareketinin ortalama kinetik enerjisini deneysel olarak belirlersek ve bu enerjiye karşılık gelen sıcaklığı bulursak, 10 5 -10 6 K civarında bir sıcaklık elde ederiz. İçeride böyle bir sıcaklık vardır. yıldızlar. Elektronların metaldeki hareketi yasalara uygundur Kuantum mekaniği.
Elektronların metallerdeki serbest yüklerin taşıyıcıları olduğu deneysel olarak kanıtlanmıştır. Bir elektrik alanının etkisi altında elektronlar sabit bir hızla hareket eder. ortalama sürat, kristal kafesin engelleyici etkisini deneyimliyor. Elektronların düzenli hareket hızı, iletkendeki alan kuvvetiyle doğru orantılıdır.

???
1. Bobin (bkz. Şekil 16.1) saat yönünde döndü ve ardından keskin bir şekilde yavaşladı. Frenleme anında bobindeki elektrik akımının yönü nedir?
2. Elektronların metal bir iletkendeki düzenli hareket hızı, iletkenin uçlarındaki gerilime nasıl bağlıdır?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizik 10. sınıf

Bu derse ilişkin düzeltmeleriniz veya önerileriniz varsa,

Anahtar düğmesine dokunduğumuzda bir ampulün yandığını görmemiz bugün kimseyi şaşırtmıyor. Çoğu zaman bu tür eylemlerin hepsinin bir diziye dayandığını bile düşünmüyoruz. Bu son derece merak uyandırıcı olaylardan biri, elektrik akımının akışını sağlayan metallerin elektriksel iletkenliğidir.

Başlangıç ​​olarak muhtemelen bunun neyle ilgili olduğuna karar vermelisiniz. Hakkında konuşuyoruz. Yani elektriksel iletkenlik bir maddenin elektrik iletme yeteneğidir. farklı maddeler bu yeteneğe sahip olmak değişen derecelerde. Elektriksel iletkenlik derecesine bağlı olarak maddeler iletkenlere, yarı iletkenlere ve dielektriklere ayrılır.

Araştırmacıların elektrik akımı çalışması sırasında elde ettiği deneysel verilere bakarsanız, metallerin iletkenliğinin en yüksek olduğu ortaya çıkıyor. Bu aynı zamanda elektrik akımını iletmek için metal tellerin kullanıldığı günlük uygulamalarla da doğrulanır. Metaller öncelikle elektrik akımını iletir. Ve bunun açıklaması metallerin elektronik teorisinde bulunabilir.

İkincisine göre iletken, düğümleri atomlar tarafından işgal edilen bir kristal kafestir. Çok yoğun bir şekilde yerleştirilmişlerdir ve komşu benzer atomlarla bağlantılıdırlar, bu nedenle pratik olarak kristal kafesin düğümlerinde kalırlar. Aynı şey atomların dış kabuklarında bulunan elektronlar için söylenemez. Bu elektronlar rastgele hareket etmekte özgürdür ve "elektron gazı" adı verilen şeyi oluşturur. Metallerin elektronik iletkenliği bu tür elektronlara dayanmaktadır.

Elektrik akımının doğasının elektronlardan kaynaklandığının kanıtı olarak Alman fizikçi Rikke'nin 1901'de gerçekleştirdiği deneyini hatırlayabiliriz. Uçları özenle cilalanmış iki bakır ve bir alüminyum silindiri üst üste yerleştirdi ve içlerinden elektrik akımı geçirdi. Deneyciye göre, eğer metallerin elektriksel iletkenliği atomlardan kaynaklanıyorsa, o zaman madde transferi meydana gelecektir. Ancak bir yıl boyunca elektrik akımı geçtikten sonra silindirlerin kütlesi değişmedi.

Bu sonuçtan metallerin elektriksel iletkenliğinin tüm iletkenlerin yapısında bulunan bazı parçacıklardan kaynaklandığı sonucuna varılmıştır. O ana kadar keşfedilmiş olan elektron bu role tam anlamıyla uygundu. Daha sonra birkaç ustaca deney daha yapıldı ve hepsi elektrik akımının elektronların hareketinden kaynaklandığını doğruladı.

Uyarınca modern fikirler Metallerde iyonlar düğüm noktalarında bulunur ve elektronlar bunlar arasında nispeten serbestçe hareket eder. Kesinlikle çok sayıda Bu tür elektronlar metallerin yüksek elektriksel iletkenliğini sağlar. İletkenin uçlarında az miktarda kaldığında bu serbest elektronlar hareket etmeye başlar ve bu da elektrik akımının akışına neden olur.

Burada iletkenliğin büyük ölçüde sıcaklığa bağlı olduğu belirtilmelidir. Böylece sıcaklık arttıkça metallerin iletkenliği azalır, sıcaklık azaldıkça da tam tersi artar. Aynı zamanda tüm metallerin iletkenliği olmasına rağmen değerinin her biri için farklı olduğu da unutulmamalıdır. Elektrik mühendisliğinde en yaygın kullanılan metaller arasında bakır en iyi iletkenliğe sahiptir.

Yani yukarıdaki malzeme metallerin elektriksel iletkenliğinin ne olduğu hakkında fikir veriyor, elektrik akımının doğasını açıklıyor ve buna neyin sebep olduğunu açıklıyor. Metallerin kristal kafesi ve bazı faktörlerin etkisi hakkında bir açıklama verilmiştir. dış faktörler iletkenlik için.