Слайд 2
Классическое представление об электропроводимости металлов.
Кристаллическая решетка металлов состоит
из остовов положительно заряженных ионов, расположенных в узлах решетки,
и «свободных» электронов, беспорядочно движущихся в промежутках между ионами, образуя особого рода электронный газ.
В отсутствие внешнего электрического поля электроны движутся хаотически.
Слайд 3
Появление поля вызывает направленное движение электронов вдоль силовых
линий поля. Появляется электрический ток.
Сталкиваясь при
своем движении с дефектами решетки или рассеиваясь на ионах электроны передают избыток энергии, приобретенный под действием поля.
Рассеяние электронов на примесях, дефектах, ионах является причиной возникновения сопротивления и теплового действия электрического тока.
Слайд 4
Ионы в металлах не участвуют в переносе
электричества. Рикке (18451915) в течение года пропускал ток через
три поставленных друг на друга цилиндра: медный, алюминиевый и снова медный . За год через цилиндры прошло 3,5106 Кл электричества, но проникновения металлов друг в друга и
изменения их массы с
точностью до 0,03 мг не было
обнаружено.
Слайд 5
Прямое указание на природу «свободных» носителей заряда
в металлах дали опыты Мандельштама и Папалекси в 1913
г. Катушка, содержащая большое число витков проволоки, раскручивалась и быстро тормозилась, а электроны после торможения продолжали двигаться, что приводило к появлению тока в замкнутой цепи.
По отклонению баллистического гальванометра измерялся полный заряд, прошедший через гальванометр.
Слайд 6
Количественный результат был получен Толменом и Стюартом в
1916 г.
Величина силы инерции при торможении равна
ma, она уравновешивается полем кулоновских сил еЕ при инерционном смещении электронов.
Здесь m, e масса и заряд частиц, ответственных за прохождение тока в проводнике; l длина проводника; vн , vк начальная и конечная линейная скорости обода вращающейся катушки (vк = 0); t время торможения
Слайд 7
Согласно закону Ома, имеем
1
2 = IR = ,
где q заряд, прошедший по цепи и измеренный
баллистическим гальванометром.
В результате из равенства
была определена величина удельного заряда частицы, ответственной за прохождение тока в металлах, выраженная через экспериментально определяемые параметры:
Слайд 8
Удельный заряд (e/m) в пределах ошибок измерений оказался
равным удельному заряду электрона 1,761011 Кл/кг.
Таким образом,
свободными носителями заряда, ответственными за появление тока в металлах, являются электроны.
С точки зрения классического подхода считается, что электроны представляют в металлах идеальный газ.
В газе «свободных» электронов силы отталкивания между электронами компенсируются силами притяжения электронов к регулярно расположенным остовам кристаллической решетки
Слайд 9
Вывод законов Ома и Джоуля-Ленца в классической теории
электронной проводимости металлов
Исходя из того ,что электроны представляют в
металлах идеальный газ, попытаемся получить закон Ома и выражение для электропроводности металла.
Воспользуемся определением величины плотности тока
j = enu.
Согласно классической теории проводимости электроны представляют точки, движущиеся под действием внешнего поля Е.
Слайд 10
В отсутствие поля средняя скорость направленного движения электронов
u равна нулю, а средняя скорость хаотического движения v
определяется согласно молекулярно-кинетической теории следующим выражением:
Слайд 11
Под действием поля Е электроны приобретают добавочную
скорость u (рис. 13.2). Величина этой скорости много меньше
средней скорости хаотического движения практически для всех реально достижимых токов
Слайд 12
Здесь концентрация электронов подсчитана для меди, n =
NA/A 8,51028 м3. Поэтому столкновения электронов с дефектами,
примесями и ионами решетки связаны главным образом с тепловым движением электронов и происходят в среднем через промежуток времени
где l длина свободного пробега электрона
Слайд 13
За время электрон может приобрести среднюю скорость
направленного движения:
u = a =
где a = F/m = eE/m ускорение, сообщаемое электрону силой F = eE.
Среднее значение скорости u
Слайд 14
Подставив величину uср в выражение для плотности тока
получим
Плотность тока пропорциональна напряженности поля, что соответствует
закону Ома
j = E,
-величина электропроводности, равная
Слайд 15
Из всех металлов наибольшую удельную электропроводность имеет серебро.
Электропроводность меди только на 10% меньше электропроводности серебра,
притом медь во много раз дешевле, поэтому применяемые в электротехнике высококачественные проводники чаще всего изготовляются из меди, очищенной от всех примесей.
Для изготовления проводов применяют также алюминий, удельное сопротивление которого в 1,5 раза превышает сопротивление меди
Слайд 16
Сопротивление химически чистых металлов с повышением температуры возрастает,
увеличиваясь с каждым градусом примерно на 0,4% от сопротивления
при 0 С.
Для многих химически чистых металлов даже при значительном нагревании сохраняется пропорциональность между увеличением сопротивления и приростом температуры. Это позволяет вычислить сопротивление при температуре t С по формуле
R = R0(1 + t),
где R0 – сопротивление при 0 С и – температурный коэффициент сопротивления.
Слайд 17
Зависимостью электропроводности от температуры пользуются для измерения температуры
приборами, называемыми термометрами сопротивления.
Разновидность термометров сопротивления –
болометры используются для измерения теплового излучения. Чувствительность болометров чрезвычайно велика: они реагируют на поток энергии 108109 Вт.
Слайд 18
Удельное сопротивление металлов зависит не только от температуры,
но и от механических воздействий. При растяжении удельное сопротивление
большинства металлов возрастает.
Зависимостью сопротивления проволоки от степени ее растяжения пользуются для измерения деформаций и механических напряжений в приборах, называемых тензометрами сопротивления.
