Какие гипотезы положены в основу классической электронной теории проводимости металлов

Обновлено: 25.04.2024

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.

Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты (1913 г.) принадлежат русским физикам Л.И. Мандельштаму и Н.Д. Папалекси В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.

Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рис. 1.12.1. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру Г. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.

Схема опыта Толмена и Стюарта

При торможении вращающейся катушки на каждый носитель заряда e действует тормозящая сила которая играет роль сторонней силы, то есть силы неэлектрического происхождения. Сторонняя сила, отнесенная к единице заряда, по определению является напряженностью E_ст поля сторонних сил:

Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая сила , равная

где l – длина проволоки катушки. За время торможения катушки по цепи протечет заряд q, равный

Здесь I – мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, υ₀ – начальная линейная скорость проволоки.

Отсюда удельный заряд e / m свободных носителей тока в металлах равен:

Все величины, входящие в правую часть этого соотношения, можно измерить. На основании результатов опытов Толмена и Стюарта было установлено, что носители свободного заряда в металлах имеют отрицательный знак, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было установлено, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.

По современным данным модуль заряда электрона (элементарный заряд) равен

а его удельный заряд есть

Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема.

Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории. Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла (рис. 1.12.2).

Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов

Из-за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так называемый потенциальный барьер. Высота этого барьера называется работой выхода. При обычных (комнатных) температурах у электронов не хватает энергии для преодоления потенциального барьера.

Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в тепловом движении. Ионы совершают тепловые колебания вблизи положений равновесия – узлов кристаллической решетки. Свободные электроны движутся хаотично и при своем движении сталкиваются с ионами решетки. В результате таких столкновений устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это позволяет оценить среднюю скорость теплового движения электронов по формулам молекулярно-кинетической теории. При комнатной температуре она оказывается примерно равной 10 5 м/с.

При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток. Среднюю скорость дрейфа можно оценить из следующих соображений. За интервал времени Δt через поперечное сечение S проводника пройдут все электроны, находившиеся в объеме

Число таких электронов равно , где n – средняя концентрация свободных электронов, примерно равная числу атомов в единице объема металлического проводника. Через сечение проводника за время Δt пройдет заряд Отсюда следует:

Концентрация n атомов в металлах составляет 10 28 –10 29 м –3 .

Оценка по этой формуле для металлического проводника сечением 1 мм 2 , по которому течет ток 10 А, дает для средней скорости упорядоченного движения электронов значение в пределах 0,6–6 мм/c. Таким образом,

средняя скорость упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше средней скорости их теплового движения

Рис. 1.12.3 дает представление о характере движения свободного электрона в кристаллической решетке.

Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа сильно преувеличены

Малая скорость дрейфа на противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического поля со скоростью c = 3·10 8 м/с. Через время порядка l / c (l – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля и в ней начинается упорядоченное движение электронов.

В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом поле энергию и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.

Несмотря на то, что все эти допущения являются весьма приближенными, классическая электронная теория качественно объясняет законы электрического тока в металлических проводниках.

Закон Ома. В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равная по модулю eE, в результате чего он приобретает ускорение . Поэтому к концу свободного пробега дрейфовая скорость электрона равна

где τ – время свободного пробега, которое для упрощения расчетов предполагается одинаковым для всех электронов. Среднее значение скорости дрейфа равно половине максимального значения:

Рассмотрим проводник длины l и сечением S с концентрацией электронов n. Ток в проводнике может быть записан в виде:

где U = El – напряжение на концах проводника. Полученная формула выражает закон Ома для металлического проводника. Электрическое сопротивление проводника равно:

а удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются соотношениями:

Закон Джоуля-Ленца.

К концу свободного пробега электроны под действием поля приобретают кинетическую энергию

Согласно сделанным предположениям вся эта энергия при соударениях передается решетке и переходит в тепло.

За время Δt каждый электрон испытывает Δt / τ соударений. В проводнике сечением S и длины l имеется nSl электронов. Отсюда следует, что выделяемое в проводнике за время Δt тепло равно:

Это соотношение выражает закон Джоуля-Ленца.

Таким образом, классическая электронная теория объясняет существование электрического сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля–Ленца. Однако в ряде вопросов классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом.

Эта теория не может, например, объяснить, почему молярная теплоемкость металлов, также как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3R, где R – универсальная газовая постоянная (закон Дюлонга и Пти, см. ч. I, § 3.10). Наличие свободных электронов на сказывается на величине теплоемкости металлов.

Классическая электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов. Теория дает соотношение , в то время как из эксперимента получается зависимость ρ ~ T. Однако наиболее ярким примером расхождения теории и опытов является сверхпроводимость.

Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник

Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают исключительными свойствами. Практически наиболее важным их них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи.

Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений.

Научный интерес к сверхпроводимости возрастал по мере открытия новых материалов с более высокими критическими температурами. Значительный шаг в этом направлении был сделан в 1986 году, когда было обнаружено, что у одного сложного керамического соединения T_кр = 35 K. Уже в следующем 1987 году физики сумели создать новую керамику с критической температурой 98 К, превышающей температуру жидкого азота (77 К). Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота, было названо высокотемпературной сверхпроводимостью. В 1988 году было создано керамическое соединение на основе элементов Tl–Ca–Ba–Cu–O с критической температурой 125 К.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями T_кр. Ученые надеятся получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если это произойдет, это будет настоящей революцией в науке, технике и вообще в жизни людей.

Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.

Классическая теория электропроводности металлов основывается на представлении о существовании в металлах свободных электронов. Одним из экспериментальных доказательств электронной природы тока в металлах является опыт Рикке (1901г.), в котором через три последовательно соединенных цилиндра: два алюминиевых и один медный с тщательно отшлифованными торцами пропускался длительное время ток. До и после эксперимента цилиндры были точно взвешены, но никакого отличия в массах обнаружено не было. Т.о. пропускание тока не оказало на цилиндры никакого влияния. При исследовании соприкасавшихся торцов под микроскопом также не было обнаружено проникновения одного металла в другой. Результаты опыта Рикке свидетельствовали с том, что перенос заряда в металлах осуществлялся не атомами, а частицами входящими в состав всех металлов. Такими частицами ли быть только электроны. Чтобы отождествить носители заряда в металлах с электронами, нужно было определить знак и удельный заряд носителей заряда (отношение заряда частицы к ее массе), что было сделано в опытах Мандельштама и Папалекси (1913 г.), Стюарта и Толмена (1916 г.). Опыты основывались на следующих рассуждениях. Если в металлах имеются легко перемещающиеся частицы, то при торможении металлического проводника эти частицы должны некоторое время двигаться по инерции, в результате чего в проводнике возникает кратковременный ток. Первый опыт с ускоренно движущимися проводниками был поставлен Мандельштамом и Папалекси. Они приводили катушку с проводом в быстрые крутильные колебания вокруг ее оси. К концам катушки подключался телефон, в котором был слышен звук, вызванный импульсами тока. Количественный результат был получен Стюартом и Толменом, измерявшими импульсы тока, возникающего при резком торможении катушки с проводом. Указанные опыты экспериментально доказали, что носителями заряда в металлах являются электроны. Друзе и Лоренц построили теорию электропроводности металлов, основываясь на представлении о том, что свободные электроны представляют некоторое подобие идеального газа, подчиняющегося законам статистики Максвелла - Больцмана. В результате взаимодействия с ионами кристаллической решетки электронный газ при хаотическом движении должен иметь ту же температуру, что и металлическая решетка.

Следовательно, для электронного газа можно записать соотношение: . Из этого соотношения можно получить значение средней квадратичной скорости хаотического движения электронов - при 300 К средняя квадратичная скорость электронов в металлах равна 110 км/с. Если создать внутри металла электрическое поле, то на хаотическое движение электронов будет накладывается направленное движение под действием сил поля. Определим значение скорости такого направленного движения (хотя бы по порядку величины). Рассмотрим отрезок проводника с поперечным сечением S. Пусть поле направлено вдоль проводника. За время dt через площадку S пройдет n V S dt электронов, где n - число электронов в единице объема. Эти электроны перенесут заряд dQ = e n V S dt .Отсюда плотность тока в проводнике: j = , где - средняя скорость направленного движения электронов в проводнике, n - число электронов в единице объема, e - заряд электрона. Полученная зависимость позволяет оценить скорость направленного движения электронов. При i = 10 А/мм 2 средняя скорость направленного движения электронов 0,8 мм/с. Следовательно, даже при больших токах скорость поступательного движения много меньше скорости хаотического движения электронов. Вывод закона Ома в дифференциальной форме из

классической электронной теории. Заряд е, помещенный в электрическое поле напряженностью Е, испытывает действие силы F = e E и приобретает ускорение a = ; т.о. направленное движение не является равномерным. При столкновении с ионами электроны теряют скорость, и затем под действием сил поля вновь ускоряются до , где t - время свободного пробега между соударениями t = , U - скорость хаотического движения (U 0, а I₂ 0. Согласно (121.1), эта работа равна произведению силы тока I в контуре на пересеченный проводником CDA магнитный поток. Проводник CDA пересекает при своем движении поток dФ₀ сквозь поверхность, выполненную в цвете, и поток dФ₂, пронизывающий контур в его конечном положении. Следовательно,

Силы, действующие на участок ЛВС контура, образуют с направлением перемещения тупые углы, поэтому совершаемая ими работа dA₁ -7 Н/м. Подставив это значение в формулу (112.1),

получим m0=4p•10 -7 Н/А 2 =4p•10 -7 Гн/м,

где генри(Гн) — единица индуктивности (см. §126).

Закон Ампера позволяет определить единицу магнитной индукции В.

Предположим, что элемент проводника dl с током I перпендикулярен

направлению магнитного поля. Тогда закон Ампера (см. (111.2)) запишется в виде

Единица магнитной индукции — тесла (Тл): 1 Тл—магнитная индукция такого

однородного магнитного поля, которое действует с силой в 1 Н на каждый

метр длины прямолинейного проводника, расположенного перпендикулярно

направлению поля, если по этому проводнику проходит ток в 1 А:

Так как m₀= 4•10 -7 Н/А 2 , а в случае вакуума (m=1), согласно (1.09.3), В =m₀H, то

Дл данного случая

Единица напряженности магнитного поля — ампер на метр (А/м): 1 А/м — напрь

такого поля, магнитная индукция которого в вакууме равна 4p•10 -7 Тл.

. Циркуляцией вектора Впо заданному замкнутому контуру

называется интеграл

где dl — вектор элементарной длины контура, направленной вдоль обхода

контура, В₁=Вcosa — составляющая вектора В в направлении касательной к

контуру (с учетом выбранного направления обхода), а — угол между векторами

В и dl.

70. Условия на границе раздела двух магнетиков для вектора В и Н.

Любая граница раздела двух сред может считаться плоской на достаточно малом участке. Кроме того, в пределах достаточно малого участка поле векторов , , можно считать однородным на каждой из сторон. Составляющие указанных векторов B_n, H_n, M_n, перпендикулярные к границе, называются нормальными, а , , , параллельные границе, - тангенциальными компонентами.

На границе двух магнетиков, по которой не течет ток, нормальные и тангенциальные компоненты преобразуются следующим образом:

(36)

Правое соотношение получается из теоремы о циркуляции, примененной к прямоугольному контуру в виде узкой прямоугольной рамки, плоскость которой перпендикулярна к границе раздела, рассекающей рамку пополам. Для получения левой формулы применяется теорема Гаусса

(37)

к произвольному цилиндру малой высоты, основания которого попадают в разные магнетики, параллельны границе раздела и имеют площадь S. Левая часть равенства есть (B_n₁–B_n₂)· S, а правая равна нулю из магнитостатического уравнения Максвелла ( ). Заметим, что теорема Гаусса – это математический закон, применимый к любому векторному полю, как и теорема о циркуляции.

Проверка выполнения законов преобразования компонент и на границе служит в некоторых случаях дополнительным "тестом" на корректность того или иного решения.

Основы классической теории электропроводности металлов.

Какой вывод следует из опыта Рикке? На основании чего в опыте Толмена и Стюарта делается вывод о том, что носителями тока в металлах являются свободные электроны?

Как формулируются основные положения классической теории электропроводности металлов Друде – Лоренца? Какие следствия вытекают из этой теории?

Какую зависимость удельного сопротивления металлов от температуры предсказывает теория Друде – Лоренца? Каковы затруднения теории?

Существует ли физическая связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов? Как формулируется закон Видемана – Франца?

Какова природа электрического сопротивления металлов с точки зрения классической теории? Что Вы знаете о явлении сверхпроводимости металлов и высокотемпературной сверхпроводимости диэлектриков (керамик)? Чем отличается сверхпроводник от идеального проводника?

Лекция 7. Электрический ток в различных средах.

Какова природа носителей тока в газах? Что такое самостоятельный и несамостоятельный газовые разряды? Какой вид имеет вольтамперная характеристика (ВАХ) газового разряда? Какие виды газового разряда Вы знаете?

Что является носителями тока в электролитах? Как формулируются основные законы электролиза Фарадея? Где применяется электролиз?

В чем состоит явление термоэлектронной эмиссии, как это явление используется при создании электрического тока в вакууме? От чего зависит работа выхода электрона из металла?

Как устроен вакуумный диод? Какой вид имеет ВАХ вакуумного диода? Что выражает собой закон Богуславского – Лэнгмюра?

Что такое ток насыщения? Каким законом описывается зависимость тока насыщения от температуры катода? Как этот закон может быть использован для определения работы выхода электрона из металла?

Лекция 8. Магнитное поле.

Что такое элемент тока? Как формулируется закон взаимодействия элементов тока Ампера?

Что такое напряженность и индукция магнитного поля? В каких единицах они измеряются?

Как формулируется принцип суперпозиции для магнитных полей?

В чем смысл закона Био – Савара – Лапласа? Как он записывается в векторном виде? Как закон Био – Савара – Лапласа используется для расчета напряженности магнитного поля проводников с током различной формы? (Приведите примеры расчета магнитного поля для кругового витка с током и прямолинейного отрезка проводника с током).

Как направлено собственное магнитное поле движущегося заряда по отношению к скорости заряда и как оно зависит от величины этой скорости?

Лекция 9. Контур с током в постоянном магнитном поле.

Чем определяется поведение контура с током в постоянном магнитном поле?

Что такое магнитный момент контура и какова его размерность?

Какой момент сил действует на контур с током в магнитном поле?

Какой энергией обладает контур с током в магнитном поле?

Какая работа совершается при перемещении проводника с током и повороте контура с током в магнитном поле?

Лекция 10. Основные уравнения магнитостатики в вакууме.

Как формулируется теорема Гаусса для магнитного поля в вакууме?

Какими свойствами обладают соленоидальные поля?

Как формулируется теорема о циркуляции магнитного поля?

Как записываются основные уравнения магнитостатики в интегральной и дифференциальной формах?

Какое практическое применение имеют основные теоремы магнитостатики для расчета напряженности магнитных полей? (Приведите примеры расчета напряженности магнитного поля внутри прямого длинного соленоида и тороида).

Лекция 11. Магнитное поле в веществе.

Какова природа молекулярных токов Ампера?

Что такое вектор намагничивания вещества? Какую размерность он имеет?

Как определяются напряженность и индукция магнитного поля в веществе?

Какой физический смысл имеют магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость вещества? Как классифицируются магнетики по этим характеристикам вещества? Какие виды магнетиков Вы знаете?

Какие условия выполняются для магнитного поля на границе раздела двух магнетиков?

Лекция 12. Основы электронной теории магнетизма.

Какую роль играют магнитные моменты атомов и молекул в процессах намагничивания вещества?

Что представляет собой орбитальный момент электрона в классической теории? Какова его роль в формировании диамагнитных свойств вещества? В чем суть теоремы Лармора?

Чем обусловлен парамагнетизм вещества? Как зависит парамагнитная восприимчивость вещества от температуры (закон Кюри)?

Какова природа ферромагнетизма? Что такое магнитные домены? С чем связано появление петли гистерезиса на кривой намагничивания ферромагнетиков? Что такое точка Кюри? Как ферромагнитные свойства вещества зависят от температуры (закон Кюри – Вейсса)?

Что такое ферри- и антиферромагнетики? Что Вам известно о сверхдиамагнетиках (идеальных диамагнетиках)? В чем проявляется эффект Мейсснера?

Лекция 13. Движение заряженных частиц в постоянных электрическом и магнитном полях.

Какая сила действует на движущуюся заряженную частицу в электромагнитном поле?

Каковы свойства и проявления силы Лоренца при движении заряженных частиц в постоянных электрическом и магнитном полях?

Какой вид имеет траектория движения заряженной частицы в магнитном поле в зависимости от направления ее скорости по отношению к направлению силовых линий поля? От чего зависит радиус кривизны траектории?

Какие практические применения находит управление движением заряженных частиц электромагнитным полем?

В чем заключается эффект Холла? Какое практическое значение он имеет?

Лекция 14. Явление электромагнитной индукции.

Как формулируется основной закон электромагнитной индукции Фарадея?

Каков физический механизм возникновения ЭДС индукции? В чем смысл правила Ленца?

Что понимается под явлением самоиндукции? Что такое индуктивность проводника? В каких единицах она измеряется и от чего зависит?

Как рассчитать индуктивность проводника и взаимную индуктивность системы проводников? (Приведите пример расчета индуктивности короткого и длинного соленоида).

От чего зависит энергия магнитного поля?

Лекция 15. Уравнения Максвелла.

Что такое вихревое электрическое поле? Какими свойствами оно обладает?

В чем смысл гипотезы Максвелла о токе смещения? Чем ток смещения отличается от тока проводимости?

Как записывается полная система уравнений Максвелла в интегральной и дифференциальной формах?

Какие основные следствия вытекают из уравнений Максвелла?

Что из себя представляет свободная электромагнитная волна? Каким уравнением она описывается? Чему равна скорость распространения электромагнитных волн в вакууме?

Лекция 16. Электромагнитные колебания.

Как возникают незатухающие электромагнитные колебания в контуре, содержащем индуктивность и емкость? От чего зависит период этих колебаний (формула Томпсона)?

Каким законом описываются свободные затухающие колебания в электрическом контуре, содержащем индуктивность, емкость и сопротивление? Чем определяются декремент колебаний и добротность колебательного контура?

Какие колебания называются вынужденными? От чего зависит период вынужденных электрических колебаний?

Что такое резонанс токов и резонанс напряжений? Как они осуществляются?

Что представляет собой метод векторных диаграмм? Какой физический смысл имеют вещественная и мнимая части полного комплексного сопротивления электрической цепи переменного тока?

Лекция 17. Общие свойства и характеристики волновых процессов.

Какой вид имеет волновое уравнение для плоской монохроматической волны? Как записывается общее решение этого уравнения? Что такое фаза и фронт волны?

Какие волны называются цилиндрическими, сферическими? Какими уравнениями они описываются?

Что такое стоячие волны? Как они образуются?

Как формулируется закон сохранения энергии для волновых процессов? Какой физический смысл имеет вектор Умова? Какой импульс и энергию переносят электромагнитные волны (теорема Пойнтинга)?

В чем заключается эффект Допплера? Чем отличаются продольный и поперечный эффекты Допплера?

Схема опыта Толмена и Стюарта

Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая сила , равная

где l – длина проволоки катушки. За время торможения катушки по цепи протечет заряд q, равный

Отсюда удельный заряд e / m свободных носителей тока в металлах равен:

По современным данным модуль заряда электрона (элементарный заряд) равен

а его удельный заряд есть

Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов

Концентрация n атомов в металлах составляет 10 28 –10 29 м –3 .

Рис. 1.12.3 дает представление о характере движения свободного электрона в кристаллической решетке.

а удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются соотношениями:

Закон Джоуля-Ленца.

К концу свободного пробега электроны под действием поля приобретают кинетическую энергию

Согласно сделанным предположениям вся эта энергия при соударениях передается решетке и переходит в тепло.

Это соотношение выражает закон Джоуля-Ленца.

Классическая теория электропроводности металлов зародилась в начале ХХ века. ЕЕ основоположником стал немецкий физик Карл Рикке. Он опытным путем установил, что прохождение заряда через металл не сопряжено с переносом атомов проводника, в отличие от жидких электролитов. Однако это открытие не объяснило, что именно является носителем электрических импульсов в структуре металла.

Ответить на это вопрос позволили опыты ученых Стюарта и Толмена, проведенные в 1916 году. Им удалось установить, что за перенос электричества в металлах отвечают мельчайшие заряженные частицы - электроны. Это открытие легло в основу классической электронной теории электропроводности металлов. С этого момента началась новая эпоха исследований металлических проводников. Благодаря полученным результатам мы сегодня имеем возможность пользоваться бытовыми приборами, производственным оборудованием, станками и многими другими устройствами.

Как отличается электропроводность разных металлов?

Электронная теория электропроводности металлов получила развитие в исследованиях Паулю Друде. Он сумел открыть такое свойство как сопротивление, которое наблюдается при прохождении электрического тока через проводник. В дальнейшем это позволит классифицировать разные вещества по уровню проводимости. Из полученных результатов легко понять, какой металл подойдет для изготовления того или иного кабеля. Это очень важный момент, так как неправильно подобранный материал может стать причиной возгорания в результате перегрева от прохождения тока избыточного напряжения.

Наибольшей электропроводностью обладает металл серебро. При температуре +20 градусов по Цельсию она составляет 63,3*104 сантиметров-1. Но изготавливать проводку из серебра очень дорого, так как это довольно редкий металл, который используется в основном для производства ювелирных и декоративных украшений или инвестиционных монет.

Металл, обладающий самой высокой электропроводностью среди всех элементов неблагородной группы - медь. Ее показатель составляет 57*104 сантиметров-1 при температуре +20 градусов по Цельсию. Медь является одним из наиболее распространенных проводников, которые используются в бытовых и производственных целях. Она хорошо выдерживает постоянные электрические нагрузки, отличается долговечностью и надежностью. Высокая температура плавления позволяет без проблем работать долгое время в нагретом состоянии.

По распространенности с медью может конкурировать только алюминий, который занимает четвертое место по электропроводности после золота. Он используется в сетях с невысоким напряжением, так как имеет почти вдвое меньшую температуру плавления, чем медь, и не способен выдерживать предельные нагрузки. С дальнейшим распределением мест можно ознакомиться, взглянув на таблицу электропроводности металлов.

Стоит отметить, что любой сплав обладает гораздо меньшей проводимостью, чем чистое вещество. Это связано со слиянием структурной сетки и как следствие нарушением нормального функционирования электронов. Например, при производстве медного провода используется материал с содержанием примесей не более 0,1%, а для некоторых видов кабеля этот показатель еще строже - не более 0,05%. Все приведенные показатели являются удельной электропроводностью металлов, которая рассчитывается как отношение между плотностью тока и величиной электрического поля в проводнике.

Классическая теория электропроводности металлов

Основные положения теории электропроводности металлов содержат шесть пунктов. Первый: высокий уровень электропроводности связан с наличием большого числа свободных электронов. Второй: электрический ток возникает путем внешнего воздействия на металл, при котором электроны из беспорядочного движения переходят в упорядоченное.

Третий: сила тока, проходящего через металлический проводник, рассчитывается по закону Ома. Четвертый: различное число элементарных частиц в кристаллической решетке приводит к неодинаковому сопротивлению металлов. Пятый: электрический ток в цепи возникает мгновенно после начала воздействия на электроны. Шестой: с увеличением внутренней температуры металла растет и уровень его сопротивления.

Природа электропроводности металлов объясняется вторым пунктом положений. В спокойном состоянии все свободные электроны хаотическим образом вращаются вокруг ядра. В этот момент металл не способен самостоятельно воспроизводить электрические заряды. Но стоит лишь подключить внешний источник воздействия, как электроны мгновенно выстраиваются в структурированной последовательности и становятся носителями электрического тока. С повышением температуры электропроводность металлов снижается.

Это связано с тем, что слабеют молекулярные связи в кристаллической решетке, элементарные частицы начинают вращаться в еще более хаотичном порядке, поэтому построение электронов в цепь усложняется. Поэтому необходимо принимать меры по недопущению перегрева проводников, так как это негативно сказывается на их эксплуатационных свойствах. Механизм электропроводности металлов невозможно изменить ввиду действующих законов физики. Но можно нивелировать негативные внешние и внутренние воздействия, которые мешают нормальному протеканию процесса.

Металлы с высокой электопроводностью

Электропроводность щелочных металлов находится на высоком уровне, так как их электроны слабо привязаны к ядру и легко выстраиваются в нужной последовательности. Но эта группа отличается невысокими температурами плавления и огромной химической активностью, что в большинстве случаев не позволяет использовать их для изготовления проводов.

Металлы с высокой электропроводностью в открытом виде очень опасны для человека. Прикосновение к оголенному проводу приведет к получению электрического ожога и воздействию мощного разряда на все внутренние органы. Зачастую это влечет мгновенную смерть. Поэтому для безопасности людей используются специальные изоляционные материалы.

В зависимости от сферы применения они могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Но все типы предназначены для одной функции - изоляции электрического тока внутри цепи, чтобы он не мог оказывать воздействие на внешний мир. Электропроводность металлов используется практически во всех сферах современной жизни человека, поэтому обеспечение безопасности является первоочередной задачей.

Читайте также: