Лекція 13. Електричний струм у різних середовищах

13.1 Електричний струм у металах. Основні положення класичної електронної теорії. Швидкість упорядкованого руху електронів у металі.

Е лектричний струм у металах

1. Для того, щоб у металі існував постійний струм, потрібно щоб виконувалися дві умови: а) існувало стаціонарне електричне поле; б) існували вільні носії зарядів.

2 . Виконання умов: а) стаціонарне електричне поле створюють джерелами електричного струму; б) вільними носіями зарядів у металах є валентні електрони.

3. Схема для зняття вольт-амперної характеристики. (рисунок 13.1)

4. Вольт-амперна характеристика це графік залежності сили струму від напруги (рисунок 13.2). У металах струм лінійно залежить від напруги, оскільки зі збільшенням напруги більша кількість електронів проходить через переріз провідника, тобто зростає сила струму. Таку залежність сили струму від напруги описує закон Ома для ділянки кола.

Основні положення класичної електронної теорії

Основні положення електронної теорії були розроблені німецьким фізиком Друде в 1900 р і включають у себе наступні положення:

1) електричний струм у металах проводять валентні електрони;

2) у металах валентні електрони поводять себе як молекули ідеального газу. Тобто рухаються хаотично, і зі збільшенням температури їх швидкість зростає;

3) рух електронів у металі підкоряється законам класичної механіки Ньютона;

4) вільні електрони в процесі руху зіштовхуються з іонами кристалічної решітки, але між собою вони зіштовхуватися не можуть;

5) при зіткненнях з іонами електрони передають їм частину своєї кінетичної енергії. Цим пояснюють електричний опір у металах і нагрівання металів при проходженні по них електричного струму.

I; e; n; S

v-?

Швидкість упорядкованого руху електронів у металі

Нехай маємо силу струму І, заряд електрона е, концентрацію електронів у металі n і площу перерізу провідника S. Розрахуємо швидкість упорядкованого руху електронів у металі v.

; Δq = enV; V = lS; Δq = enlS; l = vΔ;t Δq = enSvΔt;

І = enSvΔt/Δt;І = enSv; v = I/enS або v = J/en.

Де J- густина струму.

*Розрахунки показують, що при силі струму в кілька ампер швидкість електронів складає долі мм/с, і вони рухаються проти силових ліній стаціонарного електричного поля.

13.2 Залежність опору провідника від температури. Температурний коефіцієнт електричного опору провідника. Явище надпровідності. Властивості провідників у надпровідному стані

З алежність опору провідника від температури (Закон)

1. Установлює, як залежить опір металевого провідника від температури.

2. Відносна зміна опору провідника пропорційна зміні його температури. (Рисунок 13.3)

3. DR/R₀=αΔt; R=R₀(1+αΔt); Dr/r₀=αΔt; r=r₀(1+αΔt). Де DR=R-R₀, R - опір провідника, R₀ - опір провідника при температурі 20 °С, Dr=r-r₀, r - питомий опір провідника, r₀-питомий опір провідника при температурі 20 °С, α - температурний коефіцієнт електричного опору провідника, Δt- різниця температур..

4. Межі застосування. Формулу можна застосовувати тільки для металів.