Тема: Электрический ток в металлах

1. Электронная проводимость металлов

Классическая электронная теория так объясняет расхождение свойств проводников и диэлектриков: в одних телах имеющиеся свободные носители зарядов, которые могут перемещаться в разных направлениях, а в других телах носители электрических зарядов связаны и могут лишь немного смещаться в тот или другой бок.

Среди твердых тел встречаются тела одинаковые за химическим составом, но разные по электрическими свойствами (например, алмаз и графит). Электрические свойства зависят, по-видимому, от типа связи атомов в твердых телах. По физической природе зарядов — носителей электрического тока в данной среде электропроводимость разделяется на такие виды: электронную, ионную и смешанную.

Между атомами в кристаллах существует ковалентная связь, за которую электроны слабо содержатся ионами кристаллических решеток. Эти так называемые свободные электроны проводимости могут создавать ток в металлах.

Электропроводимость металлов обусловлена перемещением таких заряженных частиц, что, будучи общими для всех металлов, не связанные с отличиями их физических и химических свойств. Такими частицами являются электроны.

2. Выясним, почему возникает электрическое сопротивление в металлах

При отсутствии электрического поля свободные электроны двигаются беспорядочно. Поведение электронов при этом напоминает поведение молекул в гаге. Поэтому структуру металла можно представить как ионный скелет, помещенный в электронный газ.

• Концентрация электронов проводимости для большинства металлов значительная

(10²⁸-10²⁹ м^-3). Этим объясняется красивая проводимость металлов.

Во внешнем электрическом поле движение электронов уже не будет полностью хаотическим: они получают дополнительную скорость направленного движения в направлении позитивного полюса источника тока. Электроны начинают направлено перемещаться между ионами, которые находятся в узлах кристаллических решеток, и возникает электрический ток.

Во время движения электроны сталкиваются с ионами кристаллических решеток. Эти столкновения тормозят направленное движение электронов. Так упрощенно можно объяснить причину электрического сопротивления проводников. Во время столкновения электроны передают ионам энергию, накопленную в электрическом поле, которое приводит к нагреванию проводника. Так звучит объяснение закона Джоуля-Ленца.

3. Убедимся в том, что сопротивление металлов зависит от температуры.

Поскольку с увеличением температуры растет скорость колебательного движения ионов в кристаллических решетках металла, то вероятность столкновений электронов с ионами резко растет. Можно допустить, что в случае повышения температуры сопротивление металлов увеличивается.

Как показывают опыты, сопротивление R проводника линейно зависит от его температуры:

R = R₀ (1 + at)

где R₀ — сопротивление за 0 °C, t — температура, а — температурный коэффициент сопротивления.

4. Знакомимся с явлением сверхпроводимости

в 1911 году голландский ученый Г. Камерлинг-Оннес экспериментально исследовал сопротивление ртути при низкой температуре. Во время охлаждения ртути жидким гелием к температуре 4,1 К (близко -269 °С) ее сопротивление падало к нулю. Это явление получило название сверхпроводимости.

Если обмотку электромагнита изготовить из сверхпроводного проводника, то сила тока в обмотке достигает больших значений и, соответственно, электромагнит создает сильное магнитное поле.

Практическое применение сверхпроводимости беспрестанно расширяется. Особенно большие надежды полагаются на использование высокотемпературных сверхпроводников.