- •1. Загальні поняття фізики
- •1.1.3. Фундаментальні типи взаємодії у природі
- •1.1.4. Фундаментальні закони збереження
- •1.1.5. Основні розділи фізики
- •2. Основи кінематики
- •2.1. Кінематика поступального і обертального руху
- •2.1.2.Пoняття мaтepiaльнoї тoчки тa aбcoлютнo твepдoгo тiлa
- •2.1.4. Система вiдлiку. Положення матеріальної тoчки у просторі
- •2.1.5.Швидкість поступального руху. Закон додавання швидкостей
- •2.1.7. Кінематика обертального руху
- •3. Динаміка матеріальної точки
- •3.1. Динаміка поступального руху
- •3.1.1. Класична механіка та межі її використання
- •3.1.2. Поняття сили, маси, імпульсу. Перший, другий, третій закони Ньютона
- •3.1.3. Принцип відносності Галілея
- •3.1.4. Закон збереження імпульсу
- •3.1.5. Реактивний рух
- •3.2. Енергія і робота
- •3.2.1. Енергія, робота, потужність
- •3.2.2. Енергія кінетична. Енергія потенціальна
- •3.2.3.Закон збереження енергії
- •3.2.4. Зіткнення двох тіл
- •3.2.5.Рух тіла відносно неінерціальної системи відліку. Сили інерції. Відцентрова сила. Сила Коріоліса
- •4. Обертальний рух твердого тіла
- •4.1. Момент сили. Момент імпульсу
- •4.1.1. Тверде тіло як система матеріальних точок
- •4.1.2.А. Момент сили і пари сил відносно точки
- •4.1.2.Б. Момент сили відносно осі
- •4.1.2.В. Момент імпульсу матеріальної точки
- •4.1.3. Закон збереження моменту імпульсу
- •4.1.4. Основне рівняння динаміки обертального руху
- •4.2. Момент інерції. Гіроскоп
- •4.2.1. Вільні осі. Головні осі інерції
- •4.2.2. Моменти інерції різних тіл
- •4.2.3. Кінетична енергія обертального руху
- •4.2.4. Гіроскоп. Гіроскопічний ефект. Процесія гіроскопа
- •4.3. Всесвітнє тяжіння
- •4.3.1. Закон всесвітнього тяжіння. Вільне падіння тіл
- •4.3.2. Гравітаційне поле і його характеристики
- •4.3.3. Маса гравітаційна і маса інертна
- •4.3.4. Перша та друга космічні швидкості
- •5. Релятивістська механіка
- •5.1. Елементи релятивістської механіки
- •5.1.1. Зв’язок і відхилення від законів Ньютона
- •5.1.2. Постулати Ейнштейна
- •5.1.3. Перетворення Лоренца
- •5.1.4. Висновки з перетворень Лоренца
- •5.1.5.Основи релятивістської динаміки: імпульс, маса, зв’язок маси і енергії, частинка з нульовою масою
- •6. Коливальний рух
- •6.1. Вільні незгасаючі гармонічні коливання
- •6.1.1. Загальні відомості про коливання
- •6.1.2. Вільні незгасаючі гармонічні коливання
- •6.1.3. Енергія коливального руху
- •6.2. Складання коливань
- •6.2.1. Векторна діаграма. Складання коливань одного напрямку
- •6.2.2. Складання взаємно-перпендикулярних коливань
- •6.3. Згасаючі та вимушені коливання
- •6.3.1. Згасаючі коливання. Добротність
- •6.3.2. Вимушені коливання
- •6.3.3. Резонанс
- •1. Основні значення і поняття. Основи мкт газів і термодинаміки
- •1.1.2. Макроскопічні параметри і їх мікроскопічна трактовка
- •1.1.3. Закони ідеальних газів
- •1.1.4. Рівняння стану ідеального газу
- •1.1.5. Основне рівняння мкт газів
- •1.1.6. Температура. Поняття температури
- •1.2. Перший закон термодинаміки
- •1.2.1. Внутрішня енергія термодинамічної системи
- •1.2.2. Теплота. Робота. Теплоємність
- •1.2.2. Перший закон термодинаміки
- •1.2.4. Ізопроцеси в ідеальних газах
- •1.2.4.А. Ізотермічний
- •1.2.4.Б. Ізобарний
- •1.2.4.В. Ізохорний
- •1.2.4.Г. Адіабатичний
- •1.3. Другий закон термодинаміки
- •1.3.1. Кругові процеси
- •1.3.2. Цикли Карно
- •1.3.2.А. Прямий обернений цикл Карно
- •1.3.2.Б. Обернений рівновісний цикл Карно
- •1.3.2.В. Необернений цикл Карно
- •1.3.3. Нерівність Клаузіуса
- •1.3.4. Ентропія та її властивості
- •1.3.5. Другий закон термодинаміки
- •1.4. Термодинамічний потенціал. Теорема Нернста
- •1.4.1. Внутрішня енергія
- •1.4.2. Енергія Гальм-Гольца
- •1.4.3. Ентальпія
- •1.4.4. Потенціал Гіббса
- •1.4.4. Теорема Нернста. Третій закон термодинаміки
- •2.1. Кристали та їх властивості
- •2.1.1. Будова кристалу
- •2.1.2. Класи і типи кристалів
- •2.1.3. Дефекти в кристалах
- •2.1.4. Теплоємність кристалів
- •2.2. Рідини та їх властивості
- •2.2.1. Будова рідини
- •2.2.2. Поверхневий натяг
- •2.2.3. Явища на межі рідини і твердого тіла
- •2.2.4. Капілярні явища
- •2.3. Фазові переходи
- •2.3.1. Фаза, фазові переходи
- •2.3.2. Випаровування, плавлення, конденсація, кристалізація
- •2.3.3. Рівняння Клайперона-Клаузіуса
- •2.3.4. Потрійна точка. Діаграма стану
- •2.4. Розподіл молекул газу за енергіями
- •2.4.1. Закон розподілу Больцмана
- •2.4.2. Закон розподілу Максвела
- •2.4.3. Закон розподілу Максвела-Больцмана
- •Частина 1. Електростатика і магнетизм Розділ 1. Електростатичне поле у вакуумі
- •§1. Постійний електричний струм
- •§2. Опис векторного поля
- •§ 3. Обчислення напруженості поля на підставі теореми Гауса
- •Розділ 2. Діелектрик в зовнішньому електричному полі
- •§4. Діелектрик в зовнішньому електричному полі
- •Розділ 3. Провідник в зовнішньому електростатичному полі
- •§5. Провідник в зовнішньому електростатичному полі
- •Розділ 4. Енергія електростатичного поля
- •§6. Енергія електростатичного поля
- •Розділ 5. Постійний електричний струм
- •§7. Постійний електричний струм та його характеристики.
- •§8. Класична електронна теорія електропровідності металів
- •Розділ 6. Контактна і об’ємна різниця потенціалів
- •§9. Робота виходу електрона
- •Розділ 7.Електричний струм у рідинах
- •§10. Електричний струм у рідинах
- •Розділ 8. Електричний струм у газах
- •§11. Електричний струм у газах
- •Частина 2. Електромагнетизм Розділ 1. Магнітне поле у вакуумі
- •§1. Магнітне поле і його характеристики
- •§ 2. Закон повного струму
- •§ 3. Контур зі струмом в зовнішньому магнітному полі
- •Розділ 2. Магнітне поле в речовині
- •§ 4. Магнітне поле в магнетиках
- •§ 5. Класифікація магнетиків
- •Розділ 3. Електромагнітна індукція
- •§ 6. Електромагнітна індукція
- •Розділ 4. Електричні коливання
- •§ 7. Електричні коливання
- •Розділ 5. Система рівнянь Максвела
- •§ 8. Електромагнітне поле
§8. Класична електронна теорія електропровідності металів
8.1. Основи класичної теорії та її дослідне підтвердження
Для виявлення природи струму в металах було поставлено декілька дослідів. В 1901 році Ріке взяв два мідних і один алюмінієвий циліндр, відшліфував торці, зважив їх і склав у наступній послідовності: мідь – алюміній – мідь. Таким чином утворився провідник. Через нього неперервно пропускали електричний струм одного напрямку протягом року. За весь час через провідник пройшов електричний заряд 3,5∙106 Кл.
Після цього циліндри зважили знову, і виявилось, що їх маси не змінились. Під мікроскопом вивчали місця з’єднання металів. Проникнення одного металу в інший не відбулося.
Таким чином було встановлено, що перенесення заряду відбувалось не атомами самого циліндру, а іншими частинками (електронами). Потрібно було визначити знак і числове значення питомого заряду носіїв струму, щоб переконатися, що це саме електрони.
Досліди, які були поставлені пізніше, базувались на міркуваннях: якщо в металах є заряджені частинки, які можуть переміщуватись, то при гальмування металічного провідника ці частинки повинні деякий час продовжувати свій рух по інерції. Тоді в провіднику виникне імпульс струму і буде перенесений якийсь заряд.
Нехай провідник рухався зі швидкістю V0. Почнемо гальмувати його з прискоренням ω. Продовжуючи рух по інерції носії будуть мати відносно провідника прискорення ω протилежного напрямку (-ω). Таке ж прискорення можна надати носіям в нерухомому провіднику, якщо створити в ньому електричне поле напруженістю Е.
.
Тобто прикласти до кінців провідника різницю потенціалів .
Рис.8.1
,
,
де m – маса носія заряду, l– довжина провідника, е – заряд носія.
В даному випадку по провіднику протече струм , деR – опір провідника. За час dt через провідник пройде заряд
.
Добуток прискорення ω на час dt дасть швидкість: .
.
Заряд, що пройшов через провідник за весь час гальмування можна визначити:
. (8.1)
Заряд буде позитивним, коли він буде переноситись в напрямку руху провідника.
Таким чином, якщо виміряти довжину провідника l, швидкість V і опір R провідника і знати заряд, що пройшов по колу за час гальмування, можна знайти питомий заряд носія. Напрям імпульсу струму покаже знак зарядженого носія.
Перший такий дослід у 1913 році поставили німецький фізик Мандельштамп і російський фізик Топалевський. Кількісний результат у 1916 році отримали Толман і Стюарт. Вони взяли котушку довжиною 500 м і приводили її в рух, при якому лінійна швидкість витків була 300 м/с. Котушку різко гальмували і за допомогою балістичного гальванометра вимірювали величину заряду, що протікав в колі за весь час гальмування. Знайдене за допомогою формули (8.1) значення було близьке до значення відношення заряду до маси для електрона. Таким чином було встановлено, що носіями струму в металах є електрони.
Струм в металах можна викликати за допомогою малої різниці потенціалів. Це дає змогу вважати, що носії струму переміщуються по металу практично вільно.
Існування електронів в металах можна пояснити також наступними міркуваннями: при утворенні кристалічної гратки відщеплюються найменш зв’язані електрони (валентні), які стають „колективною власністю” всього шматка металу. Якщо від кожного атому відщепити ще по електрону, то концентрація вільних електронів матиме значення
, (8.2)
де ρ – густина металу. Отримаємо n=1028…1029 м-3.
Розглянемо елементарну класичну теорію металів (теорія Друде-Лоренца).
Друде вважав, що електрони провідності металів ведуть себе подібно до молекул ідеальних газів. Тобто в проміжках між ударами електрони вільно рухаються і проходять в середньому відстань λ. Електрони стикаються визначено не між собою, а з іонами, які утворюють кристалічну ґрадку металу. Ці зіткнення призводять до встановлення теплової рівноваги між електронним газом і кристалічною решіткою.
Враховуючи, що на електронний газ можуть бути поширені результати молекулярно кінетичної теорії газів, оцінку теплової швидкості руху електронів можна проводити за формулою:
м/с. (8.3)
На цей тепловий рух електронів в металах накладається впорядкований рух електронів з швидкістю . Величина цієї швидкості може бути знайдена з формули
, (8.4)
.
Таким чином, навіть при дуже великих значеннях густини струму середня швидкість впорядкованого руху електронів в 108 разів менша швидкості теплового руху:
.
Тому при розрахунках результуючу швидкість можна замінювати модулем швидкості теплового руху.
Знайдемо зміну середнього значення кінетичної енергії Ек. За теорією вірогідності, дві події, які заключаються в тому, що швидкість теплового руху електронів прийме значення , а швидкість впорядкованого руху – значення, є статично незалежними. Тому за теоремою про добуток вірогідностей,
.
Але =0, тому . Звідси, впорядкований рух збільшує кінетичну енергію електронів в середньому на
. (8.5)
8.2. Закон Ома з погляду класичної теорії електропровідності
Друде вважав, що при співударі електрона з іонами кристалічної решітки, набута електронами додаткова енергія (рівняння (8.5)) передається іону і відповідно швидкість в результаті співудару стає рівною нулю.
Представимо, що поле, яке прискорює електрон, є однорідним. Тоді під дією даного поля електрон отримує постійне прискорення, яке чисельно дорівнює і до кінця пробігу швидкість впорядкованого руху досягне максимального значення.
, (8.6)
де τ – середній час між двома послідовними співударами електрона з іонами кристалічної гратки.
Друде не враховував розподіл електронів по швидкостям і приписував всім електронам однакові значення швидкості і в цьому наближенні . Але як було показано, швидкість теплового і впорядкованого руху приблизно дорівнює швидкості теплового руху. Тоді підставимо значенняτ в рівняння (8.6):
. (8.7)
Швидкість за час пробігу змінюється лінійно, тому її середнє значення за кожен пробіг наближається до половини максимального:
.
Якщо підставимо останній вираз у рівняння (8.4), то отримаємо:
.
За законом Ома (в диференціальній формі) густина струму пропорційна напруженості поля з коефіцієнтом пропорційності
, (8.8)
де – провідність.
Якщо б електрони не стикалися з іонами решітки, то величини λ і σ були б нескінченно великими. Таким чином, згідно з класичними уявленнями опір металів обумовлений співударами вільних електронів з іонами кристалічної решітки металів.
8.3. Закони Ома, Джоуля-Ленца, Відемана-Франца, їх розгляд на підставі теорії Друде-Лоренца
До кінця вільного пробігу електрон набуває додаткової кінетичної енергії, середнє значення якої
. (8.9)
Зіткнувшись з іоном, електрон, за припущенням, повністю передає набуту додаткову енергію кристалічній гратці. Ця енергія йде на збільшення внутрішньої енергії металу, що проявляється в його нагріванні. Кожен електрон має за 1 с в середньому співударів, кожен раз передаючи гратці енергію (8.9). Відповідно, в одиниці об’єму за одиницю часу повинно виділятися теплоQпит
,
де n – число електронів провідності в одиниці об’єму, Qпит – питома теплова потужність струму.
За рівнянням (8.8) , тоді
.
Або через густину струму: . Маємо закон Джоуля-Ленца.
Розглянемо закон Відемана-Франца: усі метали мають високу теплопровідність. Відношення коефіцієнта теплопровідності æ, до коефіцієнта електропровідності приблизно однакове для всіх металів і змінюється пропорційно абсолютній температурі. Так, при кімнатній температурі для алюмінію воно становить 5,8∙10-6Дж∙Ом/(С∙К), для міді – 6,4∙10-6 Дж∙Ом/(С∙К), для свинцю – 7,0∙10-6Дж∙Ом/(С∙К).
Здатністю проводити тепло володіють і некристалічні метали, але теплопровідність металів значно більша теплопровідності діелектриків. Тоді можемо зробити висновок, що теплопередача відбувається переважно не кристалічною граткою, а вільними електронами. Розглядаючи ці електрони як одноатомний газ, можна для теплопровідності використати вираз з кінетичної теорії газів:
æ=.
Питома теплоємність одноатомного газу: ,
æ=.
Розділимо це значення æ на рівняння (8.8) для і зробивши заміну, отримаємо:
æ/=. (8.10)
Цей вираз і є математичним записом закону Відемана-Франца.
Якщо підставимо у рівняння (10) значення сталих kі e, отримаємо:
æ/ =2,23 ∙10-8Т.
При температурі 3000К æ/ =6,7 ∙106 Дж ∙Ом/(с ∙К).
8.5 Недоліки класичної теорії електропровідності
Виявилось, що спів-падіння значень було випадкове. Коли Лоренц уточнив розрахунки, врахувавши розподіл електронів по швидкостям, то отримав
æ/ =.
Отже, класична теорія змогла пояснити закони Ома і Джоуля-Ленца і дала якісне підтвердження закону Відемана-Франца, але зіткнулася з труднощами:
З рівняння (8.8) опір металів повинен збільшуватися як корінь квадратний з температури. В дійсності для запропонованих залежностей величин концентрації nі λ від температури немає. Швидкість теплового руху пропорційна кореню квадратному з температури, але висновок теорії протирічить дослідним даним, згідно яких опір пропорційний температурі, тобто зростає швидше, ніж .
Електронний газ повинен володіти молекулярною теплоємністю 3/2R. Якщо додати до молярної теплоємності 3R, то отримаємо для молярної теплоємності металу значення 9/2R. Таким чином, молярна теплоємність металів в 1,5 рази більша, ніж у діелектриків. В дійсності ж молярні теплоємності металів суттєво не відрізняються від теплоємності неметалічних речовин.
Лекція 9