Электропроводность и теплопроводность металлов объясняется

Mеталлическая связь определяет электрические и тепловые свойства металлов, обусловливая высокие электро- и теплопроводности.

Характер металлической связи сказывается и на механических свойствах металлов. Металлы — наиболее пластичные кристаллы, т. к. в них возможно свободное перемещение дислокаций. Металлическая связь объясняет свойства металлов, в частности, их прочность. Под действием деформирующей силы решетка металла может изменять свою форму, не давая трещин, в отличие от ионных кристаллов.

Высокая теплопроводность металлов объясняется тем, что если нагреть кусок металла с одной стороны, то кинетическая энергия электронов увеличится. Это увеличение энергии распространится в “ электронном море” по всему образцу с большой скоростью. Электропроводность металлов обусловлена валентными электронами атомов. Эти электроны обладают подвижностью в твердом теле , которая связана с перекрыванием атомных волновых функций и электроны могут свободно перемещаться в идеальной решетке металлического кристалла, не испытывая столкновений с ионами в узлах. В электрическом поле они ускоряются, переходя на более высокие энергетические уровни и поглощая при этом лишь небольшое количество энергии. Возрастание их скорости в электрическом поле приводит к результирующему переносу заряда и возникновению электрического тока.

Высокая проводимость металлов тесно связана со структурой валентной зоны, с тем, что незанятые уровни непосредственно примыкают к занятым. Оптические свойства металлов отличны от свойств диэлектриков и ионных кристаллов. Металлы непрозрачны для электромагнитных волн от самых низких частот вплоть до середины ультрафиолетовой области спектра, для больших частот металлы становятся прозрачными. Металлы хорошо отражают излучение. Эти два свойства непрозрачность и высокая отражательная способность, обусловлены характерной для металлов зонной структурой .

С точки зрения механических свойств металлы характеризуются, с одной стороны, высокой упругостью и прочностью, с другой пластичностью. Это является следствием природы металлов, обусловленной наличием свободных электронов и приводящей к ненаправленности металлических связей, а в связи с этим к сравнительной легкости диффузии ионов, смещению дефектов (в первую очередь дислокаций) без разрушения решетки, образованной ионами. Мерой прочности опять же может служить теплота сублимации.

Механические свойства металлов зависят как от ряда внутренних (химический состав, микроструктура), так и внешних (температура, скорость приложения силы, вид напряженного состояния) факторов. Следует различать механические свойства отдельных металлических монокристаллов от свойств технических металлов со сложной поликристаллической структурой. Металлическим кристаллам свойственна анизотропия ряда механических свойств, степень которой неодинакова для разных металлов и зависит от типа кристаллической решетки . Для деформации кристалла характерна зависимость от кристаллографической ориентации.

Явление квантовой редукции.

В отличие от эксперимента по определению местоположения электрона, где имеет место так называемый «непрерывный» процесс измерения, рассмотрим другой процесс, называемый «мгновенным» измерением. Последнее подразумевает, что оно производится в бесконечно малый промежуток времени, длительностью которого можно пренебречь. С целью максимального упрощения ситуации ограничимся случаем так называемого «дихотомического измерения», при котором осуществляется выбор между двумя альтернативными состояниями квантовой системы, (случай большего числа альтернативных состояний отличается от рассматриваемого лишь количественно, но не качественно)

Под квантовым измерением понимается процесс взаимодействия квантовой системы с другой системой, которая играет роль прибора. Простейшим из них является дихотомическое измерение, которое позволяет различить два альтернативных состояния системы — 1 и 2. Примерами таких состояний могут быть, например, два уровня энергии атома, или же два возможных значения проекции спина электрона.

Состояние системы до измерения носит не абсолютный, а вероятностный характер.

То есть она не находится ни в одном из состояний 1 или 2 . Такое состояние называется «смешанным». Математически оно записывается так: = с 1 1 + с 2 2 , где с 1 и с 2 — комплексные коэффициенты. Процесс измерения переводит систему, находящуюся в неопределенном (смешанном) состоянии в одно из состояний 1 или 2 .

Согласно так называемой «копенгагенской интерпретации» квантовой механики, выбор состояния системы (квантовая редукция) происходит именно в момент наблюдения. Постановка вопроса, в каком из двух состояний находилась система до наблюдения, не имеет смысла. Мы не просто «не знаем», в каком из них она была, но сам способ существования системы до редукции носит потенциальный, вероятностный характер.

В 1935 году один из отцов основателей квантовой механики Эрвин Шрёдингер рассмотрел следующий любопытный эксперимент. В закрытый ящик помещён кот. (Лучше бы засунуть туда нашего министра, но увы.) В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное ядро и колбу с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность того, что ядро распадётся за 1 час, составляет 50 %. Если ядро распадается, оно приводит механизм в действие, он разбивает колбу с газом, и кот умирает. Кота жалко, министра нет.

Связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов

Электропроводность и теплопроводность металлов являются основными свойствами, которые определяют их поведение в различных условиях. Эти свойства тесно связаны между собой и влияют на многие аспекты нашей жизни.

Металлы, являясь хорошими проводниками электрического тока, находят широкое применение в электронике и электротехнике. Теплопроводность же позволяет металлам эффективно передавать тепло, что важно для многих промышленных и технических процессов. Но почему эти два свойства тесно связаны между собой?

В данной статье мы ответим на этот вопрос и объясним, как связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов может быть объяснена с точки зрения физики.

Кроме того, мы рассмотрим, какие металлы имеют высокую электропроводность и теплопроводность, и почему эти свойства могут быть важны в различных областях, таких как электроника, инженерия и наука.

Горячие конфорки электрической плиты

Электропроводность металлов

Электропроводность — это способность вещества проводить электрический ток. Металлы являются хорошими проводниками электричества благодаря своей структуре и химическим свойствам.

Металлы состоят из кристаллической решетки, в которой положительно заряженные ядра атомов образуют сетку, а отрицательно заряженные электроны свободно перемещаются по решетке. Это позволяет электронам быстро перемещаться и передавать электрический ток.

Металлы могут становиться лучшими проводниками благодаря таким факторам, как высокое количество свободных электронов, низкое количество примесей и высокая подвижность электронов. К примеру, медь и алюминий являются хорошими проводниками благодаря высокому количеству свободных электронов, а серебро является одним из лучших проводников благодаря своей высокой подвижности электронов.

Электропроводность металлов измеряется с помощью специальных приборов, называемых омметрами. Омметр измеряет сопротивление материала, то есть силу, с которой материал противодействует току. Чем меньше сопротивление, тем лучше проводник. Также для измерения электропроводности металлов используют методы, основанные на эффекте Холла, при котором магнитное поле оказывает влияние на движение электронов в проводнике.

Измерение тока электроизмерительными клещами

Теплопроводность металлов

Теплопроводность — это способность вещества передавать тепло. Металлы также являются хорошими теплопроводниками благодаря своей структуре и химическим свойствам.

Металлы имеют высокую теплопроводность благодаря своей кристаллической структуре и свободно перемещающимся электронам. Тепловые колебания вызывают вибрации атомов и электронов в кристаллической решетке, и электроны передают тепло, перемещаясь в направлении от более нагретых областей к менее нагретым.

Чем выше количество свободных электронов и чем меньше количество примесей в металле, тем выше его теплопроводность. Например, медь, алюминий и серебро являются хорошими теплопроводниками благодаря высокому количеству свободных электронов и низкому количеству примесей.

Теплопроводность металлов измеряется с помощью приборов для измерения температуры.

Почему электропроводность и теплопроводность связаны?

Существует связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов, называемая «правилом Видемана-Франца». Согласно этому правилу, металлы, обладающие высокой электропроводностью, также имеют высокую теплопроводность.

Это связано с тем, что как электрический ток, так и тепло передаются свободно перемещающимися электронами в металлах. Электроны, которые являются носителями заряда в металлах, также являются носителями тепла. Поэтому, если металл обладает большим количеством свободных электронов, они также могут легко передавать тепло, что приводит к высокой теплопроводности материала.

Таким образом, связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов основана на их общих свойствах, которые определяются структурой и физическими свойствами материала.

Правило Видемана-Франца устанавливает связь между коэффициентом теплопроводности и коэффициентом электропроводности в одном и том же материале.

Согласно этому правилу, теплопроводность металлов пропорциональна их электропроводности, при условии, что температура остается постоянной. Другими словами, материалы, которые являются хорошими электропроводниками, также будут хорошими теплопроводниками.

Формула выражает это правило следующим образом:

где k — коэффициент теплопроводности, q — коэффициент электропроводности, T — абсолютная температура, L — константа, называемая константой Лоренца.

Это правило получило свое название в честь двух немецких физиков — Августа Видемана и Франца Франца, которые первыми описали его в 1853 году. Оно находит широкое применение в науке и технике.

Сушка краски электрической инфракрасной лампой

Правило Видемана-Франца является следствием законов сохранения энергии и импульса в теплопроводящей среде, где электроны и фононы (колебания кристаллической решетки) являются основными носителями тепловой энергии.

В металлах тепловая энергия передается в основном за счет свободных электронов, которые, двигаясь в металлической решетке, сталкиваются с атомами и передают им свою энергию. Это приводит к колебаниям атомов и молекул решетки, то есть к тепловому движению.

С другой стороны, свободные электроны являются основными носителями электрического тока в металлах. Они передают заряд от одной точки к другой в металлической решетке, создавая электрическое поле. Таким образом, электроны в металле и тепло взаимодействуют между собой, так как оба процесса зависят от движения свободных электронов в металлической решетке.

Связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов проявляется в коэффициенте термоэлектрической силы — k/q (ТЭС), который характеризует связь между тепловым и электрическим потоками в металле.

Коэффициент ТЭС определяется как отношение теплового потока к электрическому потоку при постоянной температуре. Согласно правилу Видемана-Франца, коэффициент ТЭС для металлов пропорционален их электропроводности и обратно пропорционален температуре.

То есть, если металл обладает высокой электропроводностью, то коэффициент ТЭС также будет высоким. Это означает, что тепловой поток, передаваемый через металл, будет сопровождаться электрическим током. Важно отметить, что связь между электропроводностью и теплопроводностью также обусловлена механизмом переноса энергии.

Как уже было сказано, в металлах электроны переносят не только заряд, но и кинетическую энергию, которая может быть превращена в тепловую энергию при столкновениях с атомами. Следовательно, хорошие электропроводники, где электроны свободно перемещаются, будут также хорошими теплопроводниками.

Кроме того, механизмы, ответственные за перенос тепла и заряда, в металлах частично перекрываются. Например, в металлах, электроны передают тепло путем столкновения с атомами, так называемой тепловой проводимостью. Это также называется фононной проводимостью, потому что перенос тепла связан с колебаниями атомов, называемыми фононами.

В то время как электропроводность связана с движением электронов, теплопроводность связана с колебаниями атомов и фононов. Поэтому, когда электроны сталкиваются с атомами, возникают колебания, и часть энергии, переносимой электронами, превращается в тепловую энергию. Это означает, что электропроводность и теплопроводность металлов тесно связаны.

Кроме того, электронный транспорт может повлиять на тепловой транспорт через эффект Пельтье. Это эффект, при котором тепло переносится при помощи электрического тока, а также эффект Томсона, который проявляется в изменении температуры электронного газа при прохождении тока через металл. В обоих случаях происходит транспорт энергии, как в форме заряда, так и в форме тепла, что также связывает электропроводность и теплопроводность.

Рассматривая процесс передачи тепла через металлы, можно заметить, что чем лучше материал проводит электричество, тем лучше он проводит тепло.

Хорошие электропроводники, где электроны могут свободно двигаться, также способны переносить тепло эффективно. Это связано с тем, что передача тепла в металлах происходит за счет колебаний свободных электронов, которые переносят энергию от одной частицы к другой.

Более того, связь между электропроводностью и теплопроводностью можно объяснить на уровне атомов и молекул. Металлические связи между атомами в металлах являются очень сильными, что позволяет электронам свободно перемещаться по материалу.

При передаче тепла энергия передается от атома к атому через электроны, которые двигаются вдоль металлических связей. Таким образом, более свободные электроны, которые могут легко перемещаться вдоль металлических связей, позволяют эффективнее передавать тепло.

С другой стороны, материалы, которые плохо проводят электричество, обычно также плохо проводят тепло. Это связано с тем, что энергия не может эффективно передаваться от частицы к частице, поскольку электроны не могут легко двигаться по материалу.

Таким образом, электропроводность и теплопроводность металлов тесно связаны и определяются на уровне структуры и свойств атомов и молекул. Понимание этой связи позволяет разработать более эффективные материалы для электроники, энергетики и теплотехники.

Какие металлы имеют высокую электропроводность и теплопроводность?

Некоторые металлы обладают очень высокой электропроводностью и теплопроводностью. Наиболее известные металлы с высокой электропроводностью включают медь, алюминий, серебро и золото. Эти металлы часто используются в электронике и электротехнике, где требуется хорошая электропроводность.

Что касается теплопроводности, то медь, алюминий, серебро и золото также являются хорошими теплопроводниками. Однако есть и другие металлы, которые также обладают высокой теплопроводностью.

К примеру, алюминий и его сплавы, такие как алюминиевая бронза, обладают очень хорошей теплопроводностью. Также хорошей теплопроводностью обладают металлы, такие как магний, железо, никель, платина и титан.

Высокая электропроводность и теплопроводность металлов связаны с их кристаллической структурой. Металлы имеют кристаллическую структуру, в которой ионы металла расположены в упорядоченном решетчатом порядке. Эта структура обеспечивает свободу движения электронов и ионов внутри металла, что делает их хорошими проводниками тока и тепла.

Плавкие предохранители на 125А

Применение связи между электропроводностью и теплопроводностью металлов в различных областях науки и технологии

Связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов имеет широкие применения в различных областях науки и технологии. Например, эта связь используется в термоэлектрических материалах, которые могут преобразовывать тепловую энергию в электрическую и наоборот.

Термоэлектрические материалы применяются во многих устройствах, таких как термоэлектрические генераторы, позволяющие преобразовывать тепловую энергию в электрическую в различных системах.

Кроме того, металлы с высокой электропроводностью и теплопроводностью используются в электронике, например, для создания электрических контактов и различных элементов электронных устройств.

Это обусловлено тем, что хорошая электропроводность позволяет быстро передавать электрический ток в электронных устройствах, а высокая теплопроводность способствует эффективному удалению тепла от электронных устройств, что повышает их надежность и увеличивает срок службы.

Свойства металлов также могут быть использованы для создания новых материалов и технологий, таких как наноматериалы.

Например, некоторые исследования показали, что добавление некоторых металлов с высокой электропроводностью и теплопроводностью в наноструктурированные материалы может значительно улучшить их термические и электрические свойства.

Также металлы с высокой электропроводностью и теплопроводностью находят применение в других областях, например, в аэрокосмической промышленности, где их способность к эффективному распределению тепла помогает защитить космические аппараты от высоких температур во время входа в атмосферу Земли.

Также металлы с высокой электропроводностью используются в электроэнергетической промышленности, где они применяются в высоковольтном оборудовании для передачи электроэнергии на большие расстояния.

Здесь, важно, чтобы металлы имели высокую электропроводность, чтобы минимизировать потери энергии в виде тепла. В этой области, медь является одним из наиболее распространенных металлов, из-за ее высокой электропроводности и теплопроводности.

Другой областью, где свойства электропроводности и теплопроводности металлов играют важную роль, является создание материалов с хорошей теплоотводящей способностью.

Металлы с высокой теплопроводностью, такие как медь, могут быть использованы в производстве радиаторов и теплообменников, чтобы убедиться, что тепло отходит от горячих поверхностей и распределяется равномерно. Более того, в некоторых случаях, металлы могут быть улучшены добавлением специальных примесей, что приводит к увеличению их теплопроводности и электропроводности.

Мы рассмотрели связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов, и как эти свойства могут быть использованы в различных областях науки и технологии.

Мы увидели, что металлы с высокой электропроводностью и теплопроводностью играют важную роль в электронике, инженерии, промышленности и многих других областях. Кроме того, мы обсудили, как эти свойства металлов могут быть использованы для создания новых материалов и технологий.

Важность этих свойств металлов состоит в том, что они позволяют передавать электричество и тепло эффективно, что имеет значение для многих промышленных и научных приложений.

Эти свойства также могут помочь нам в создании новых материалов и технологий, которые будут иметь применение в будущем.

Изучение связи между электропроводностью и теплопроводностью металлов позволяет нам лучше понимать свойства материалов и использовать их наиболее эффективно.

Связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов является важной темой для изучения в науке и технологии. Она имеет широкое применение и может помочь нам создавать новые материалы и технологии, которые будут улучшать нашу жизнь в будущем.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

чем можно объ яснить высокие электро- и теплопроводность металлов?

Это можно прочитать в любом учебнике по общей химии. Их высокая теплопроводность и электропроводность обусловлена тем, что в узлах их кристаллической решетки находятся положительно заряженные ионы, а электроны образуют общий «электронный газ». Эта масса электронов очень подвижна и перемещается по кристаллу с огромной скоростью. Поэтому именно электроны переносят тепло и электричество с высокой скоростью.
Ищите в учебнике раздел «Металлическая связь. Металлы»
Попробуйте также в поисковике сделать запрос «электропроводность теплопроводность металлы»

Остальные ответы

электро проводность объясняется большим радиусом крайних элктронов в металлах. Электроток — поток электронов на самом деле. для того чтобы «выбить» электрон с большего радиуса нужно потратить меньше энергии, т. к. нет большой эл-маг. силы между ядром и электроном.
а вот насчет теплопроводности не отвечу, я думаю что здесь связано с плотностью вещества и/или наличием кристаллической решетки.

из-за несвязанных с атомами электронов, т.н. электронный газ

Я платил ответ нетотправлаеш

Электро- и теплопроводность металлов и сплавов

Электропроводность металлов Классическая электронная теория металлов представляет твердый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической ионной решетки, внутри которой находится электронный газ из коллективизированных свободных валентных электронов. К электронному газу применялись представления и законы обычных газов. Это привело к выводу законов Ома и Джоуля – Ленца, позволило описать и объяснить ранее обнаруженные экспериментальным путем основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах. Однако исчерпывающее объяснение явлений электропроводности оказалось возможным на основе квантовой механики. В соответствии с квантово–механическими представлениями причиной наличия электрического сопротивления твердых тел является не столкновение свободных электронов с атомами решетки (как в классической теории Друде), а рассеяние их на дефектах решетки, вызывающих нарушение периодичности потенциала. Идеально правильная, бездефектная неподвижная решетка не способна рассеивать свободные носители заряда и поэтому должна обладать нулевым сопротивлением. Подвижность и длина свободного пробега электронов в твердом теле зависят от структуры материала. Чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления r. Примеси, искажая решетку, приводят к увеличению r. С позиций квантовой механики рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием порядка четверти длины волны электрона; нарушения меньших размеров не вызывают заметного рассеяния волн де Бройля. В металлическом проводнике, где длина волны электрона порядка 5 Å, микродефекты создают значительное рассеяние, уменьшающее подвижность электронов и длину свободного пробега, и, следовательно, приводят к росту r. Так как в металлах концентрация электронного газа n практически не зависит от температуры (Т), то зависимость удельного сопротивления r (и обратной величины удельной электропроводности s) от температуры полностью определяется температурной зависимостью подвижности (m) и пропорциональной ей длины свободного пробега электронов (l). Вследствие усиления колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного движения свободных электронов под действием электрического поля, т.е. уменьшается среднестатистическая длина свободного пробега l, уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление (рис. 3.14). Рис. 3.14. Зависимость удельного сопротивления металлов и сплавов от температуры: 1 – железо; 2 – электротехническая сталь с содержанием 4 % Si; 3 – сплав Fe-Ni-Cr

Удельное сопротивление сплавов

Как указывалось, примеси и нарушения правильной структуры металлов ведут к увеличению их удельного сопротивления.