Электрический ток в металлах, жидкостях и газах
Электрический ток в металлах возникает при упорядоченном движении свободных электронов под действием электрического поля.
Электрический ток в электролитах – это упорядоченное движение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.
Положительные ионы двигаются к катоду , а отрицательные – к аноду .
Электролиз – процесс выделения чистого вещества на электродах при протекании электрического тока через электролиты.
Электрический ток в газах может проходить при сильном нагревании газа или под действием внешнего облучения. При этом газ становится ионизированным , в нём образуются свободные электроны или ионы.
Электрический ток в металлах
Электрическим током в физике называется согласованное (упорядоченное, однонаправленное) перемещение электрически заряженных элементарных частиц (электронов, протонов, ионов) или заряженных макроскопических частиц (например, капель дождя во время грозы). В веществах, находящихся в различных агрегатных состояниях (твердое тело, жидкость, газ) ток может формироваться из разного набора заряженных частиц. Рассмотрим механизм образования электрического тока в металлах.
Свободные электроны в металлах
Вещества, относящиеся к металлам, могут находиться как в твердом, так и в жидком состоянии (ртуть, галлий, цезий и др.). При этом все они являются проводниками электрического тока. Твердые вещества имеют структуру жесткой кристаллической решетки, в узлах которых “сидят” положительно заряженные ионы, совершающие небольшие колебания относительно точки равновесия. В объеме кристалла всегда присутствует большое количество свободных электронов, которые вырвались с орбит атомов в результате механических соударений или воздействия излучений.
Это электронное “облако” движется беспорядочно, хаотично до тех пор, пока к металлу не будет приложено электрическое поле. Электрическое поле E, созданное внешним источником (батареей, аккумулятором), действует на заряд q с силой F:
Под действием этой силы электроны приобретают ускорение в одном направлении и, таким образом, появляется электрический ток в цепи.
Многочисленные наблюдения показали, что при прохождении электрического тока масса проводников и их химический состав не изменяются. Отсюда следует вывод, что ионы металлов, которые составляют основную массу вещества, не принимают участия в переносе электрического заряда.
Опыт Мандельштама и Папалекси
Электронную природу тока в металле первыми экспериментально доказали российские физики Мандельштам и Папалекси в 1913 г. Для того, чтобы выяснить, какие частицы создают электрический ток в металлах, они — без подключения внешнего источника — регистрировали ток в катушке из металлического провода, которую сначала сильно раскручивали вокруг собственной оси, а затем резко останавливали. Поскольку у электрона есть масса, то он должен подчиняться закону инерции. Поэтому в момент остановки атомы решетки останутся на месте, а свободные электроны по инерции, какое-то время, продолжат движение в прежнем направлении. То есть в цепи должен появиться электрический ток. Эксперименты подтвердил это предположение — после остановки катушки исследователи регистрировали бросок тока в цепи.
Этот эксперимент в 1916 г. повторили американцы Стюарт и Толмен. Им удалось повысить точность измерений и получить отношение заряда электрона eэ к значению массы электрона mэ:
Этот фундаментальный результат совпал с полученными данными из других экспериментов, поставленных на основе измерения других параметров. Впервые эту величину в 1897 г. измерил англичанин Джозеф Томсон по отклонению пучка электронов в зависимости от напряженности электрического поля.
Скорость распространения электрического тока
Скорость распространения электрического поля в металле близка к скорости света в вакууме, которая равна 300000 км/с. Но это не значит, что электроны внутри вещества двигаются с такой же скоростью. Для проводника с площадью поперечного сечения S = 1 мм 2 при силе тока I = 1 A скорость упорядоченного движения электронов равна v = 6*10 -5 м/с. То есть за одну секунду электроны в проводнике за счет упорядоченного движения проходят всего 0,06 мм.
Такие малые значения скоростей движения электронов в проводниках не приводят к запаздыванию включения электрических ламп, включения бытовых приборов и т.д., так как при подаче напряжения вдоль проводов со скоростью света распространяется электрическое поле. Эта скорость настолько велика, что позволяет приводить в движение свободные электроны практически мгновенно во всех проводниках электрической цепи.
Применение свойств электрического тока в металлах
Физические свойства электрического тока используются в различных областях жизнедеятельности:
- Способность электрического тока нагревать проводники используется для изготовления нагревательных бытовых и промышленных приборов;
- Вокруг провода с электрическим током возникает магнитное поле, что позволило создать электродвигатели, без которых сегодня невозможно обойтись;
- Передача электроэнергии на различные расстояния осуществляется по проводам линий электропередачи (ЛЭП), по которым течет электрический ток.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что электрический ток в металлах создается упорядоченным движением свободных электронов. Экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создают электроны, впервые получили российские физики Мандельштам и Папалекси. Физические свойства электрического тока в металлах позволили создать большое количество бытовых и промышленных устройств.
Электрический ток в металлах
На этом уроке мы в деталях рассмотрим, что происходит в металлах при прохождении тока через них. С этим уроком придет понимание о скорости распространения тока и о том, что именно способствует его возникновению.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.
Получите невероятные возможности
1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.
2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.
3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ
Конспект урока «Электрический ток в металлах»
Мы уже знаем, что в твёрдом состоянии частицы в телах расположены в определённом порядке, который называется кристаллической решёткой.
Металлы, как мы помним, являются хорошими проводниками, поскольку в пространстве между положительными ионами, двигаются свободные электроны. На прошлом уроке мы уже узнали, что эти электроны двигаются беспорядочно, до тех пор, пока в металле не возникнет электрическое поле.
Итак, ток в металлах обусловлен упорядоченным движением свободных электронов. Из бытового опыта мы знаем, что если нажать на выключатель в комнате, то лампочка загорается мгновенно. Означает ли это, что электроны способны двигаться настолько быстро? Не совсем так: сами электроны преодолевают несколько миллиметров за секунду, однако, электрическое поле распространяется по всему проводнику практически мгновенно. Лампочка загорается сразу после нажатия на выключатель, потому что в самой спирали лампочки уже есть электроны, нужно только упорядочить их движение. Как только это происходит, через лампочку начинает проходить электрический ток, и мы видим свет.
Движение электронов и распространение электрического тока часто сравнивают с течением воды. Действительно, существует не одно сходство: например и ток, и вода идут по пути наименьшего сопротивления. Вода всегда огибает камень, а ток всегда стремиться пойти по пути, на котором стоит резистор с наименьшим значением. Также, мы знаем, что и вода начинает течь, едва мы только откроем кран. Это не означает, что вода мгновенно переместилась к нам в квартиру из водонапорной башни. Просто водонапорная башня создаёт давление, в результате чего, вода заполняет все каналы водопроводной системы. Как только мы поворачиваем кран, вода под давлением вытекает из него. Также, когда мы нажимаем на выключатель, цепь замыкается, и электрическое поле попадает в лампочку, где уже находятся электроны. Поэтому распространение электрического поля происходит со скоростью, сравнимой со скоростью света. Исходя из размеров Земли, можно утверждать, что ток распространяется практически мгновенно на любые земные расстояния.
Задача 1. Проходит ли ток через металлический стержень, лежащий на столе?
Нет. Ведь стержень не находится под влиянием электрического поля, а, значит, движение свободных электронов беспорядочно. Суммарный заряд положительных частиц равен суммарному заряду отрицательных частиц, поэтому стержень электрически нейтрален.
Задача 2. Допустим, мы смогли каким-то образом сосредоточить положительные частицы на одном стержне, а отрицательные частицы — на другом стержне. Если эти стержни соединить проводником, возникнет ли в нём ток?
Конечно, ведь между стержнями создастся электрическое поле, которое упорядочит движение свободных электронов в проводнике. А упорядоченное движение свободных электронов — это и есть электрический ток.
Задача 3. Кабель соединяет станцию и дом, находящийся в 10 км от этой станции. Скорость свободных электронов составляет 5 мм/с. Через какое время ток дойдёт от станции до дома?
Ток дойдёт до дома мгновенно, поскольку под скоростью тока подразумевается распространение электрического поля, поэтому скорость движения отдельных электронов не имеет значения. Даже если мы возьмем за скорость распространения электрического поля только 80% скорости света, мы всё равно получим ничтожное маленький промежуток времени.
Электрический ток в металлах
Наличие комнатной температуры не позволяет электронам проходить этот барьер. Потенциальная энергия выхода электрона после взаимодействия с кристаллической решеткой намного меньше, чем при удалении электрона из проводника.
Конец свободного пробега характеризуется дрейфовой скоростью электрона, которую определяют по формуле
υ д = υ д m a x = e E m τ .
Время свободного пробега обозначается τ . Оно способствует упрощению расчетов для нахождения значения всех электронов. Средняя скорость дрейфа υ д равняется половине максимального значения:
υ д = 1 2 υ д m a x = 1 2 e E m τ .
Если имеется проводник с длиной l , сечением S с концентрацией электронов n , тогда запись нахождения тока в проводнике имеет вид:
I = e n S υ д = 1 2 e 2 τ n S m E = e 2 τ n S 2 m l U .
U = E l – это напряжение на концах проводника. Формула выражает закон Ома для металлического проводника. Тогда электрическое сопротивление необходимо находить:
R = 2 m e 2 n τ l S .
Удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются как:
ρ = 2 m e 2 n τ ; ν = 1 ρ = e 2 n τ 2 m .
Закон Джоуля-Ленца
Конец пробега электронов под действием поля характеризуется кинетической энергией
1 2 m ( υ д ) m a x 2 = 1 2 e 2 τ 2 m E 2 .
Позже в 1988 году создали Tl — Ca — Ba — Cu — O соединение с критической Т , достигающей 125 К . На данный момент ученые заинтересованы в поиске новых веществ с наиболее высокими значениями T к р . Они рассчитывают на получение сверхпроводящего вещества при комнатной температуре. Если это будет сделано, произойдет революция в науке и технике. До настоящего времени все свойства и механизмы состава сверхпроводимых керамических материалов до конца не исследованы.