Электрический ток в металлах: подробное объяснение (формулы)
Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов. Более подробно об этом читайте далее в нашей статье.
Важно знать
Как известно, электрический ток — это упорядоченный поток носителей электрического заряда. Носители — это заряженные частицы, способные свободно перемещаться во всем объеме тела.
В случае металлов этими частицами являются электроны, которые высвобождаются при образовании связи между атомами металла.
Известно, что металлы в твердом состоянии имеют кристаллическую структуру. Частицы в кристаллах расположены в определенном порядке, образуя пространственную решетку (кристалл).
Наконец, кристаллическая решетка металла образована положительными ионами, погруженными в «облако» хаотически движущихся так называемых свободных электронов, также называемых электронами проводимости. В зависимости от валентности атомов металла, один атом может освободить от одного до трех электронов при образовании металлических связей.
Число таких высвобожденных электронов непосредственно переводится в число носителей заряда. Это является одним из факторов, влияющих на способность металла проводить электрический ток.
Доказательством того, что ток в металлах вызывается электронами, послужили эксперименты наших отечественных физиков Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси, а также американских физиков Бальфура Стюарта и Роберта Толмана.
Способность металла проводить электрический ток может быть описана физической величиной, называемой удельным электрическим сопротивлением. Эта физическая величина обозначается греческой буквой ρ (читается как «ро»). Единицей измерения удельного сопротивления является Ом · м, т.е. произведение Ом на метр. Удельное сопротивление — это константа, которая характеризует материал и имеет различные значения для разных материалов. Например, удельное сопротивление меди составляет 1.72*10-8 Ом · м. Это означает, что электрическое сопротивление медного проводника длиной 1 метр и площадью поперечного сечения 1 м равно 1.
72*10-8 Ом . В целом, чем ниже удельное сопротивление материала, тем лучше он проводит электрический ток.
В таблице ниже приведены некоторые примеры удельного сопротивления часто используемых металлов.
| Металл | Удельное сопротивление (Ом · м) |
| Серебро | 1.59*10-8 |
| Медь | 1.72*10-8 |
| Алюминий | 2.82*10-8 |
| Вольфрам | 5.6*10-8 |
| Железо | 10*10-8 |
Удельное электрическое сопротивление может быть связано с микроскопическими свойствами материала. В частности, он зависит от концентрации носителей заряда и их подвижности.
Движение свободных электронов в металлах не является полностью «свободным», поскольку во время их движении они взаимодействуют с другими электронами, и прежде всего с ионами кристаллической решетки. Специфика этого движения описывается так называемой классической моделью проводимости.
Основные предположения и выводы этой модели представлены в большом упрощении ниже.
Классическая модель проводимости
Без внешнего электрического поля электроны совершают тепловые хаотические движения, сталкиваясь друг с другом, а также сталкиваясь с ионами кристаллической решетки. В результате такого движения среднее положение электронов практически не меняется (см. рис. 1.).
Рис. 1. Пример траектории электрона во время его хаотического теплового движения в металлеИз-за квантовых эффектов, и в частности из-за принципа запрета Паули, который не позволяет всем электронам занимать самое низкое энергетическое состояние, средняя скорость электронов в металлах, связанная с их хаотическим тепловым движением, больше, чем скорость частиц в классическом идеальном газе той же температуры. Она составляет порядка 10 м/с.
Если электрическое напряжение U приложено к концам проводника длиной L в нем появится электрическое поле с напряженностью E = U / L
Под действием этого внешнего поля, согласно второму закону динамики, электроны ускоряются: a = F / m,
где F = e*E — сила, с которой электрическое поле действует на электрон с зарядом e.
Таким образом, ускорение электрона составляет: a = e*E / m .
Ускоренное движение электрона длится лишь довольно короткое время, пока он не столкнется с ионом
кристаллической решетки. В результате такого столкновения электрон теряет практически всю свою кинетическую энергию. Однако замедленный электрон не остается в состоянии покоя — он снова ускоряется под действием электрического поля, снова сталкивается с одним из ионов из ионы кристаллической решетки и т.д. Этот эффект добавляет к скорости тепловых движений дополнительную направленную среднюю скорость u, которая из-за отрицательного заряда электрона имеет направление, противоположное напряженности внешнего электрического поля. Эта скорость называется средней скоростью дрейфа (рис. 2).
В проводнике начинает течь электрический ток с силой тока I (см. рисунок 3).
Рис. 3. Дрейфующие электроны сталкиваются с ионами кристаллической решеткиПредполагая, что движение электрона равномерно ускоряется между столкновениями с ионами решетки, с ускорением a = e*E / m , и предполагая, что в результате столкновения электрон передает всю свою кинетическую энергию кристаллической решетке, мы можем вычислить скорость, которую развивает электрон в своем свободном движении: v = a*τ .
В этой формуле τ — средний интервал времени между последующими столкновениями дрейфующего электрона с ионами кристаллической решетки.
Поскольку при равномерно ускоренном движении без начальной скорости средняя скорость является средним арифметическим начальной (равной нулю) и конечной скоростью, то получаем: u = v / 2 = e*E*τ / 2*m .
Из полученной формулы следует, что скорость дрейфа, помимо внешнего электрического поля, определяется средним интервалом времени между столкновениями электронов с ионами решетки. Этот параметр зависит от многих факторов (включая температуру, кристаллическую структуру металла, дефекты кристаллической структуры, примеси) и, как выясняется, существенно влияет на электрическое сопротивление материала.
Средняя дрейфовая скорость электронов составляет порядка 10-4 м/с. Она очень мала по сравнению со скоростью теплового движения, которая составляет порядка 106 м/с.
Классическая теория проводимости достаточно хорошо описывает явление электропроводности в металлах.
Однако эта теория не может объяснить экспериментально наблюдаемую зависимость электрического сопротивления от температуры.
Причина упомянутой неудачи классической теории проводимости заключается в том, что она не учитывает влияние ионов решетки на движение электронов между столкновениями. Более близкие к реальности результаты дает квантовая теория проводимости, которая описывает электроны как частицы, подверженные квантовой статистике, движущиеся в периодическом электрическом поле, создаваемом положительными ионами решетки.
Выводы простым языком
Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален. Свободные электроны в нём движутся беспорядочно. Но если в металле создать электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно под действием электрических сил. Возникнет электрический ток. Беспорядочное движение электронов при этом сохраняется, подобно тому как сохраняется беспорядочное движение в стайке мошкары, когда под действием ветра она перемещается в одном направлении.
« Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля невелика — несколько миллиметров в секунду, а иногда и ещё меньше. Но как только в проводнике возникает электрическое поле, оно с огромной скоростью, близкой к скорости света в вакууме (300 000 км/c), распространяетcя по всей длине проводника. »
Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010
Как пример, электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s = 8000 км), приходит туда примерно через 0,03 с.
Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. Так, например, когда цепь электрической лампы замкнута, электроны в спирали лампы также движутся упорядоченно.
Сравнение электрического тока с потоком воды в водопроводной системе и распространения электрического поля с распространением давления воды поможет нам понять это.
Когда вода поднимается в резервуар для воды, давление (напор) воды очень быстро распространяется по всей системе водоснабжения. Когда мы включаем кран, вода уже находится под давлением и сразу же начинает течь. Но вода, которая была в кране, течет, а вода из башни достигает крана гораздо позже, потому что вода движется с меньшей скоростью, чем распространяется давление.
Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.
Урок 5. Какая Скорость электрического тока
содержание видео
Рейтинг: 4.0; Голоса: 1Начинающий радиолюбитель или электронщик не всегда понимают разницу между электрическим током и скорость распространения электрического поля. Хотя, на первый взгляд, это не критично и с этим можно смириться, но чтобы заложить надежную базу для дальнейшего изучения электроники все же необходимо знать, как протекает электрический ток и его скорость. Электроны в проводнике перемещаются относительно очень медленно по сравнению со скоростью распространения изменения электрического тока в проводниках, которая равна 300000 км/с, то есть равна скорости света.
Электроны приобретают упорядоченно движения за счет избытка электрического поля, поступающего вместе с новыми носителями заряда от источника питания. С каждым перемещение электрона изменяется электрическое поле, которое вовлекает в это направленное движение все новые и новые носители заряда.
Электроника для начинающих← КРУТОЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ света своими руками
Урок 6. Что такое НАПРЯЖЕНИЕ →
Похожие видео
Неизвестные ландшафты России Русское географическое общество
• Русское географическое общество
Думаешь ПОВЕЗЛО? и тебя ждут ПОТРА##ШКИ каждый день? В чём ПОДВОХ и РИСК для мужчины жить с девушкой
• Дмитрий Петров
Почему Сталин не договорился с Гитлером в ноябре 1940 года. Визит Молотова в Берлин
• Загадки истории
ВОТ ПОЧЕМУ жена бросила, разлюбила и ушла!
• Максим Вердикт
Хищники большие и редкие Русское географическое общество
• Русское географическое общество
Вот как после потопа 1842 года ГАЗИФИЦИРОВАЛИ Петербург
• Альтернативная история
Комментарии и отзывы: 10
Evgeny
Я бы Вас хотел немного поправить в объяснении постепенного изменения электрического поля и вовлечения в режим движения упорядоченного электронов.
Проще было бы сказать, что электрич поле моментально распространяется по всей замкнутой цепи, а так как оно практически мгновенно начинает действовать на всю цепь, то и именно по всей цепи электроны придут в движение, а не так, как Вы сообщаете тут. Вы, я считаю, просто немного не так изложили. Нам в университете именно как я написал излагал профессор. А по Вашему объяснению можно понять, что эл. поле еле-еле двигается или распространяется и постепенно на всё новых и новых захватываемых собою участках приводит в движение заряды. Это же не верно.
Loki
ИМХО, нужно было упомянуть про передачу энергии от перемещения электронов по орбиталям(облакам) атомов. Так как в квантовой физики именно этот процесс и будет равнозначен течению тока. Исходя из этого и нит накала, становится яркой из-за изменения сопротивления проводника под давлением напряжения и выбиванием энергии от электронов из материала нити с превращением их в фотоны.
Федор
Здравствуйте. скажите пожалуйста что случилось моим мультиметров? У меня телевизор не включается, и я открыл зданию крышку и стал проверять, то есть искать неисправность резисторов, микросхем, а шнур тел. был включен, когда проверял, мультиметр был в положении прозвонки когда коснулся резистора одним щупом к минусу, а с другим щупом к плюсу, и наверно оба щупа коснулись друг другу, и на экране стала показывать возрастающее число 83 84 85, и по тихонько возрастает, попробовал вык. вкл, а оно всеровно возрастает, что это значит, испортился?
Kot
так и не рассказал что скорость электрона зависит от напряжения, жонглируешь пустыми словвами о электрическом поле которое на самом деле является не полем, а импульсом.
Хотя всё же это один из лучших роликов поясняющих за электричество и в этом проблема.
Vano
Не правильно нарисовал. Электроны движутся по поверхности проводника. И ток не течёт в цепи со скоростью света, а много медленней. Дело в том, что когда ты на дистанции 300 000 км подключаешь провод, то с источника тока заряды перетекают на провод и когда ты подключаешь лампочку, то тут уже не роляет дистанция 300 000 км, потому что от провода до лампочки от 0 до 5 метров.
дмитрий
Вот кстати, интересно, если тут включить рубильник, то лампочка через 300000 км загорится я подозреваю не через секунду, из за индуктивности. Дроссель дает задержку видимую на глаз, если память не изменяет, а у проводника такой длинны индуктивность наверно поболее дросселя?
Иван
Позвольте вопрос.
Т. е. когда замыкают контакт в той области около контакта резко растет количество электронов, а все дальнейшее происходит из-за того что эта куча электронов отталкивает другие электроны, тем другие и так далее по проводнику, верно?
Алексей
А если представить электрон в виде колобка, который бежал по полю и добежал до реки. Через реку переброшено бревно. Вот за каким чертом наш колобок полезет в середину этого бревна, чтобы перебраться через реку? Вот и мне это не понятно.
Иса
А мне вот не понятно не укладывается в голове тот факт что электрон медленный а вот поле быстрое. Ведь мы не можем нейтрализовать поле. Как узнали скорость электрона? А хорошего проводника получается много своих электронов?
Муслим
Сергей добрый вечер. У меня вопрос на рисунке, там где плюс, начало движения электронов, откуда они появляются, как пополняются, и когда они делают круг куда деваются, как это происходит. Объясните пожалуйста
электронов, движущихся в проводниках | Физика Фургон
Категория Выберите категориюО фургоне физикиЭлектричество и магнитыВсе остальноеСвет и звукДвижение вещейНовая и захватывающая физикаСостояния материи и энергииКосмосПод водой и в воздухе
Подкатегория
ПоискЗадайте вопрос
Последний ответ: 22.
10.2007
Вопрос:
Мы знаем, что электроны могут свободно перемещаться в проводнике. например), электрон на самом деле не движется по всей длине проводника, он просто колеблется вокруг своего среднего положения, и его энергия движется вперед. Как получается, что энергия, которую производит электрон, движется впереди самого себя?
Во-вторых, в цепи переменного тока напряжение меняет свою полярность. Как тогда протекает ток в его цепи? Если я предполагаю, что электрон движется, то в тот момент, когда ток меняет свою полярность, электрон должен двигаться в обратном направлении, т. е. на шаг вперед и на шаг назад. Как оно вообще движется? Если я предположу, что электрон не движется, а энергия, которую он производит, движется, то как же он движется? Как мы на самом деле получаем какой-либо ток?
Калькутта, Индия
A:
Здравствуйте, Риа,. Интересные вопросы!
В проводниках много подвижных электронов. Для многих металлов на атом приходится около одного свободного электрона.
Как вы сказали, когда по проводнику течет ток, электроны имеют результирующую дрейфовую скорость, которая часто весьма мала. Фактическая скорость дрейфа во многом зависит от геометрии проводника, величины протекающего тока и плотности подвижных носителей заряда (скорость дрейфа пропорциональна току и обратно пропорциональна площади поперечного сечения и плотности проводника). мобильные носители заряда). Как вы правильно сказали, в цепи переменного тока (с частотами 60 Гц здесь или 50 Гц там, где вы находитесь, или на радиочастотах) электроны не дрейфуют очень далеко.
Сигналы распространяются по проводам с очень высокой скоростью. Если провод идеально проводящий, то скорость распространения сигнала зависит от изоляционного материала вокруг провода. Это связано с тем, что передача энергии фактически происходит в электрическом и магнитном полях. Вектор Пойнтинга есть Е крест В, и он пропорционален потоку энергии на единицу площади в единицу времени, а так как внутри проводника электрическое поле исчезает, энергия не течет внутри проводника (!), только снаружи, в непосредственной близости. Тогда скорость распространения сигналов зависит от диэлектрических свойств изоляции и обычно составляет около 70% скорости света. Электроны просто текут в проводнике, чтобы удовлетворить условиям электрических и магнитных полей, подчиняющихся уравнениям Максвелла на поверхности проводника.
О переменном токе — среднее значение тока в цепи переменного тока во времени должно быть равно нулю (если нет некоторого смещения постоянного тока) — ток постоянно течет туда и обратно в ответ на переменное напряжение. Многие устройства прекрасно потребляют энергию, обеспечиваемую цепями переменного тока, например лампочки и тостеры. Энергия накапливается в резистивных элементах этих элементов независимо от того, по какому пути течет ток. Мгновенная рассеиваемая мощность равна V * I, где V — напряжение между контактами лампочки, а I — мгновенный ток. Поскольку V=IR, где R — сопротивление лампочки, мощность равна V 2 /Р. Чтобы получить среднюю мощность (мощность) лампочки, мы просто усредняем V 2 по времени. Даже если V постоянно меняет знак, рассеиваемая мощность остается положительной.
Это все очень классический ответ на ваш вопрос. В действительности все электроны неразличимы. Несправедливо спрашивать, куда идет отдельный электрон, поскольку он не сохраняет свою идентичность отдельно от других электронов.
Но классической картины достаточно, чтобы объяснить ответы на эти вопросы. Один вопрос, который она не объясняет, заключается в том, почему электроны в металлах такие подвижные и почему они больше не сталкиваются с атомами, и для этого нужна квантовая механика.
Том
(опубликовано 22.10.2007)
Дополнение к этому ответу
Связанные вопросы
единицы измерения емкости и энергии 9000 3
зарядка стекла через трение
скорость дрейфа Электронов
ПРИВЕТСТВЕННЫЙ ЛОГ
ПЛАЗМА И ЭЛЕКТРИТА0003
энергия, заряд и т.д. в конденсаторах
инверторы
сопротивление натянутого провода
Все еще любопытно?
Вопросы и ответы по Expore в смежных категориях
- AC…DC
- Заряды
- Проводимость и сопротивление
Микроскопический вид электрического тока
Микроскопический вид электрического тока Поскольку электрический заряд квантуется дискретно, кратным заряду электрона, поучительно рассматривать электрический ток как движение множества микроскопических носителей заряда с дрейфовой скоростью в проводнике.
| Индекс Электрический ток | ||
| Назад |
Для электрического тока в медной проволоке носителями заряда являются подвижные электроны, а положительно заряженные ионы меди практически неподвижны в металлической решетке. Тем не менее, при лечении электрических цепей обычно используется обычный ток, как если бы двигались положительные заряды. Споры об этой практике продолжаются, но физическая природа носителей заряда в меди довольно проста. Однако в других применениях электрического тока идентификация носителей заряда не так проста. В полупроводниках, например, иногда есть подвижные электроны, а иногда есть недостаток подвижных электронов, называемых «дырками».
| Индекс Электрический ток | ||||
Эта низкая средняя скорость дрейфа электронов ничтожно мала по сравнению со средней скоростью электрона, связанной с его внутренней энергией. Примечание к расчету: можно изменить любое свойство провода. Параметры оставлены неопределенными, по умолчанию используются значения для медного провода калибра 12, несущего ток 10 ампер. | Индекс Электрический ток | ||||
| Назад |
Есть существенные различия в способах их проведения. Один из способов определить, какой тип проводимости имеет место, — это эффект Холла, который дает разную полярность напряжения Холла для положительных и отрицательных носителей заряда. Во многих веществах электропроводность — это не просто свободное движение электронов.
Это изменение или «сигнал», который распространяется по проводам практически со скоростью света. 9м/с = см/час. Расчет плотности свободных электронов в таком металле, как медь, включает в себя основные физические данные о металле, а также тот факт, что медь обеспечивает около одного свободного электрона на атом для процесса электропроводности.  |
