Электрический ток в разных средах. Базовый уровень 10 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Электрический ток в проводниках

 

Одной из количественных характеристик любого движения является его интенсивность. Заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за единицу времени, – это характеристика интенсивности движения электрического заряда, которую мы назвали силой тока. Мы связали ее с энергетическими характеристиками тока, научились решать задачи о работе электроприборов. Но рассматривая движение заряда, мы мало внимания уделили тому, что именно движется и в какой среде.

 

Заряд, на первый взгляд, не связан с веществом. Но он не существует без носителя. А носители заряда – заряженные частицы – уже не получится рассмотреть в отрыве от самого вещества.До этого мы по умолчанию сосредоточились на токе в металлах, но свободные носители заряда есть и в некоторых жидкостях, а при определенных условиях – и в газах. Движение этих носителей заряда тоже создает электрический ток, и он наверняка чем-то отличается от тока в металлах. Сегодня мы об этом и поговорим.

Начнем с рассмотрения механизма протекания тока в металлах, который нам уже знаком. Носителями заряда в металлах являются свободные электроны. Наличие свободных электронов свойственно не только металлам и их сплавам, но и некоторым оксидам, солям, графиту. Для удобства классификации все вещества, которые проводят электрический ток благодаря наличию свободных электронов, объединили в условную группу проводников первого рода. Но так как самые широко используемые из этой группы – металлы, то изучать физические процессы в таких проводниках мы будем преимущественно на их примере.

Раз выделили одну группу проводников, то должны быть и другие. А, точнее, одна: проводники второго рода. Так назвали проводники, протекание тока в которых сопровождается химическими процессами, о них поговорим чуть позже. Иногда для простоты проводники первого рода называют просто проводниками, а второго рода – электролитами.

Итак, в проводниках первого рода часть электронов покидает атом или молекулу и свободно перемещается в веществе. Это движение хаотичное, для отдельного электрона все направления движения равновероятны (см. рис. 1).

Рис. 1. Хаотичное движение электронов в проводнике

Это значит, что отдельные заряды движутся в разные стороны, взаимодействуют с атомами или потерявшими электрон ионами, меняют направление, но в среднем перемещения заряда нет. Это похоже на поведение молекул воздуха в отсутствие ветра: на микроуровне есть тепловое движение, но на макроуровне потока воздуха не наблюдаем.

Что происходит с электронами, когда появляется внешнее электрическое поле? Поле действует на каждый электрон с силой , и для каждого электрона сила направлена вдоль линий поля (см. рис. 2).

Рис. 2. Направленное движение электронов в проводнике

Появляется составляющая скорости, которая направлена для всех электронов в одну сторону: возникает направленное движение заряда. Скорость этого движения можем считать постоянной – об этом подробнее в ответвлении.

---

 

Модель движения электронов в проводнике

Поскольку тепловое движение электронов является хаотическим, то суммарное перемещение электронов будет близко к 0 (движение во все стороны равновероятно). Поэтому можем рассматривать только направленное движение электронов, вызванное электрическим полем.

На заряд, помещенный в электрическое поле, действует сила . Но заряд связан с массой – носителем заряда. Сила, действующая на электрон, сообщает ему ускорение: . А ускоренное движение – это движение с возрастающей скоростью. Выходит, что мы не можем говорить о постоянной скорости направленного движения электронов. В чем здесь дело?

Представьте, что вам нужно бежать по лесу между деревьями. Как бы вам ни хотелось разогнаться, придется все время тормозить, чтобы не врезаться.В похожей ситуации находится и электрон. Он движется не в свободном пространстве, а внутри твердого вещества, атомы которого плотно упакованы. Поэтому он постоянно взаимодействует с атомами и каждый раз при этом теряет скорость, приобретенную за время свободного движения. При рассмотрении на большом по сравнению с длиной свободного пробега промежутке такое движение близко к равномерному. Поэтому модель, в которой электроны движутся внутри проводника направленно с постоянной скоростью, достаточно точна для решения большинства практических задач.

---

Какова скорость направленного движения электронов? Сила тока, по определению, равна , это значит, что за время  через сечение проводника пройдет заряд .  – это  электронов, каждый из которых обладает зарядом :

Через поперечное сечение проводника успеют пройти электроны, которые находятся внутри цилиндра (рис. 2) с объемом . Рассмотрим это как движение электронного газа, состоящего из тех  электронов, прошедших через площадь . Это удобная модель, мы можем ввести концентрацию электронов – количество электронов на единицу объема, . Так как электроны распределены в веществе приблизительно равномерно, мы можем считать, что средняя концентрация электронов везде в проводнике одинакова.

Выразим количество электронов через концентрацию: .

Подставим все в выражение для силы тока. А теперь смотрите:  – это путь, который по проводнику проходит электронный газ за время , то есть  – это и есть средняя скорость направленного движения электронов,

Получили связь силы тока со средней скоростью движения электронов.

Нужно понимать, что хаотичное движение никуда не исчезло: электроны продвигаются вдоль проводника, одновременно с этим двигаясь хаотично.Когда шарики в детской игре падают сверху и сталкиваются с перекладинами, то после каждого столкновения они меняют направление движения, но все равно продолжают движение вниз.

Когда электрон был в одной точке, затем по сложной траектории оказался в другой, нас сама траектория не интересует. Перенос заряда такой же, как если бы он переместился из одной точки в другую по прямой – мы при решении задачи так и считаем.

И какие же значения принимает скорость направленного движения электронов? Оценим. Заряд электрона известен, возьмем его по модулю, так как мы сейчас не рассматриваем направление тока. Концентрация электронов в меди может достигать около . Можно считать, что на каждый атом меди приходится по одному свободному электрону, и вычислить концентрацию атомов меди, применив инструменты МКТ – рекомендуем потренироваться самостоятельно. Возьмем проводник с сечением  и силу тока 10 А – примерно такой ток потребляет электрочайник. Выразим скорость:

И подставим значения:

Получили скорость чуть более 0,6 мм/с, или 37,5 см/мин. Как видим, направленная составляющая скорости электронов не так уж велика. Не стоит путать скорость движения электронов со скоростью распространения тока. Ток при подключении источника начинает течь по всему проводнику, как только туда распространилось электрическое поле. А распространяется оно со скоростью света, то есть в нашем восприятии – почти мгновенно.

 

Сопротивление проводников

 

 

При одном и том же приложенном напряжении через разные проводники течет ток разной силы. Мы это описали с помощью закона Ома для участка цепи:

 

и разные проводники сравнивали по их сопротивлениям .

Почему вообще возникает сопротивление со стороны проводника? Теперь мы можем ответить на вопрос, что мешает носителям заряда двигаться и от каких параметров зависит сопротивление. Мы уже начинали рассматривать этот вопрос в младших классах, можете вспомнить урок по ссылке (Закон Ома).

На атомном уровне проводник, если это металл, можно рассматривать как некую структуру из ионов (назовем ее ионной решеткой) и свободные электроны. Электроны движутся хаотично. При появлении внешнего электрического поля возникает сила, которая добавляет к хаотичному движению направленное движение в одну сторону (см. рис. 3).

Рис. 3. Движение электронов в ионной решетке

Вспомните наш пример с падающими шариками. Если бы можно было «отключить» гравитацию, то они бы хаотично сталкивались друг с другом и с перекладинами. Гравитационное поле приводит к появлению направленного дрейфа шариков вниз.

Скорость движения электронов (а значит, и сила тока) зависит от того, как быстро и беспрепятственно будет двигаться электрон через ионную решетку. Это движение можно еще представить себе как движение потока воды через трубу с решетками. Движение воды соответствует протеканию тока, а труба – аналог проводника, в ней решетка мешает течению воды, как ионы мешают движению электронов.

Понятно, что поток воды зависит от геометрических параметров трубы: воду легче прокачать через широкую и короткую трубу, чем через узкую и длинную. И естественно, чем «гуще» сеть решеток, тем больше помех потоку. Перенеся аналогию на электрический ток, запишем: сопротивление проводника больше, если меньше площадь проводника и больше длина:

Свойства ионной решетки, которые определяются веществом, учли в коэффициенте , который назвали удельным сопротивлением. Измеряется удельное сопротивление в , что равно . Обычно провода тонкие, их площадь сечения составляет явно не квадратные метры – чаще всего это квадратные миллиметры, и в справочниках часто можно встретить значения  в . Обратите внимание, что длина и площадь сечения – это геометрические свойства, не зависящие от вещества, из которого сделан проводник. А удельное сопротивление – это характеристика самого вещества.

От чего зависит удельное сопротивление? Понятно, что в разных металлах разное количество носителей зарядов – свободных электронов. Чем их больше, тем быстрее движутся заряды (мы только что вывели, что сила тока пропорциональна концентрации носителей зарядов). Чем больше радиус атома, тем легче оторвать от него электрон. Можно предположить, что лучше всего проводить электрический ток должны наиболее тяжелые металлы (с самыми большими атомами). Но это не всегда так.

Как мы уже говорили, электронам мешают двигаться взаимодействия с ионами кристаллической решетки. Чем плотнее решетка (чем плотнее атомы в веществе), тем больше будет взаимодействий, тем «тяжелее» будет двигаться электронам, то есть тем больше будет сопротивление.

Зависимость сопротивления от длины проводника и площади его сечения могла оказаться не линейной, а, например, такой:  или . Со строгим выводом именно такой формулы сопротивления проводника вы можете ознакомиться в ответвлении, оно обязательно к ознакомлению для учеников профильного уровня, для всех остальных – по желанию.

---

 

Вывод закона Ома для участка цепи

Рассмотрим модель: к металлическому проводнику приложено электрическое поле, которое мы характеризовали напряжением , и свободные электроны движутся под действием этого поля. Каждый электрон по второму закону Ньютона движется с ускорением:

Выразим силу через силовую характеристику электрического поля – напряженность:

Если считать электрическое поле однородным, можно выразить напряженность поля через напряжение и расстояние между концами проводника (его длину ):

Электрон движется с ускорением в промежутках между столкновениями с ионами. Считаем, что при столкновении скорость уменьшается до нуля и электрон разгоняется снова. Вспомним из уроков о равноускоренном движении: на каждом таком отрезке времени  между столкновениями скорость электрона увеличивается от нуля до , и средняя скорость при равноускоренном движении равна:

Подставим ускорение:

Мы ранее на уроке связали силу тока со средней скоростью направленного движения электронов:

Подставляем сюда выражение для скорости:

Получили математическое выражение закона Ома: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению. Коэффициент пропорциональности мы обозначили как , и здесь он оказался равен этому коэффициенту, значит:

Как видим, сопротивление прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади поперечного сечения. Коэффициент пропорциональности содержит константы (массу и заряд электрона), а также характеристики вещества: концентрацию свободных электронов и среднее время свободного пробега электрона в данном веществе. Обозначим этот коэффициент  и будем считать его характеристикой вещества.

Полученная формула подтверждает наши качественные рассуждения: концентрация свободных электронов стоит в знаменателе – чем она больше, тем меньше сопротивление. В знаменателе стоит и время свободного пробега электрона в веществе, то есть время, в течение которого будет двигаться электрон, пока не столкнется с ионом. Понятно, что чем плотнее упаковка атомов вещества, тем меньше будет это время, а значит, тем больше будет сопротивление.

---

Мы рассмотрели простую модель, в которой удельное сопротивление не зависит от внешних факторов: если это медь, то ее удельное сопротивление в любых условиях равно . А если вещество сжать или согнуть, что-то изменится? Или нагреть? Или поместить в магнитное поле? Поступаем как обычно: возникла задача – уточняем модель, учитываем в ней новые процессы с необходимой точностью и находим закономерности.

Рассмотрим влиянием температуры: это то, с чем мы часто сталкиваемся, проводники при протекании тока греются. Температура – это характеристика энергии движения атомов или молекул вещества. То есть увеличение температуры – это наблюдаемое нами свидетельство того, что атомы начали быстрее и с большей амплитудой колебаться – мы рассматриваем твердое вещество, где атомы колеблются вблизи фиксированного положения.

Логично, что при большей амплитуде колебаний возникает больше препятствий для движения электрона. Пробраться сквозь толпу людей легче, если они стоят спокойно, чем если они танцуют. В такой модели с увеличением температуры проводника сопротивление тоже увеличивается. Экспериментальным путем обнаружили, что для решения многих задач подходит модель линейной зависимости, которая описывается уравнением:

Выразим  через удельное сопротивление, сократим длину и площадь (температурным расширением пренебрегаем) и получим:

Здесь  – это удельное сопротивление при температуре, которую выбрали как начальную (обычно это ),  – это изменение температуры относительно начальной, , а  – это температурный коэффициент сопротивления, который для разных веществ можно найти в справочнике. Он показывает, на сколько ом изменяется сопротивление с каждым градусом изменения температуры.

Эта модель, как и любая другая, имеет свои границы применимости. При повышении температуры проводник рано или поздно расплавится или сгорит в кислороде воздуха. Уменьшать температуру до бесконечности тоже нельзя. Мы знаем, что есть предел – абсолютный ноль по шкале Кельвина, которого достичь на практике невозможно (если только выявленные нами законы термодинамики верны). Но уже при достижении некоторой температуры (чаще всего несколько градусов Кельвина) сопротивление проводника резко уменьшается до нуля. Это явление назвали сверхпроводимостью.

Температуру, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, назвали критической. Она отличается для разных веществ, некоторые металлы, такие как медь, золото, серебро, вообще не переходят в сверхпроводящее состояние. Подобраны сплавы, которые, наоборот, становятся сверхпроводниками при достаточно высоких температурах, их достаточно охладить жидким азотом (температура его кипения около 77 К).

В сверхпроводниках даже при слабом электрическом поле возникает сильный ток (сопротивление ведь практически нулевое), который течет без тепловых потерь. Этому нашли применение, например для получения мощных магнитных полей, для создания чувствительных детекторов магнитного поля, детекторов фотонов. Есть проекты использования сверхпроводников для передачи электроэнергии, но существует проблема поддержания низких температур, нужно постоянно прокачивать через систему хотя бы жидкий азот.

Мы рассмотрели, как и почему сопротивление проводников увеличивается с повышением температуры. Есть класс веществ, у которых с повышением температуры сопротивление уменьшается. Эти вещества назвали полупроводниками. К ним относятся некоторые элементы 4-й группы таблицы Менделеева (кремний, германий), соединения элементов 3-й и 5-й групп (арсенид галлия, фосфид индия), некоторые другие вещества. О том, как протекает ток в полупроводниках и почему у них такая температурная зависимость, вы узнаете в ответвлении.

---

 

Сопротивление полупроводников

В полупроводниках, в отличие от проводников, нет большого количества свободных электронов, электроны покидают атомы значительно реже. Как это влияет на протекание электрического тока?

Рассмотрим кристалл кремния. Это элемент с четырьмя электронами на внешней электронной оболочке, и каждый атом образует ковалентную связь с четырьмя соседними атомами, разделяя с ними по одной электронной паре (см. рис. 4).

Рис. 4. Кристалл кремния

Если бы не было теплового движения атомов, все электроны были бы связаны и такой кристалл не проводил бы ток. Но из-за теплового движения некоторые связи между атомами разрываются, электрон покидает атом и становится свободным носителем заряда.

Атом, который потерял электрон, становится заряженным положительно. В металлах мы на это не обращали внимания, так как там практически каждый атом теряет электрон и электроны свободно движутся между ними. Здесь же электрон, который оказывается рядом с ионом, с большой вероятностью притягивается этим ионом и занимает свободное место в разрушенной связи между атомами. Такое место в полупроводнике назвали дыркой.

В полупроводнике часто бывает ситуация, когда при возникновении пары «электрон – дырка» свободный электрон не успевает далеко переместиться и занимает вакантное место неподалеку. А ту первую дырку занимает электрон, тоже высвободившийся где-то неподалеку. В итоге получается, что множество электронов совершили небольшие перемещения, но проще описать это как перемещение дырки. Мы понимаем, что сам заряженный атом кремния никуда не перемещался, но это удобная модель. Это как в очереди: каждый человек сделал по одному шагу, а выглядит это, как будто переместилось свободное место. Таким образом считаем, что свободными носителями заряда в полупроводниках являются электроны и дырки.

Теперь понятно, почему при увеличении температуры уменьшается сопротивление полупроводников. В них резко увеличивается количество разрывов связей между атомами, а значит, количество свободных носителей заряда. И так как свободных носителей до повышения температуры было немного (в отличие от проводников), то увеличение их количества заметно способствует протеканию тока, то есть значительно уменьшает сопротивление. По сравнению с этим уменьшением увеличение сопротивления из-за увеличения амплитуды и скорости колебаний узлов кристаллической решетки пренебрежимо мало.

---

 

Электрический ток в электролитах

 

 

Рассмотрим, как протекает электрический ток в проводниках второго рода, где свободными носителями заряда являются ионы. Из уроков химии вы знаете, что растворение некоторых веществ в воде сопровождается электролитической диссоциацией – распадом вещества на ионы. Как это происходит, рассмотрим на примере поваренной соли .

 

Свойства атомов натрия и хлора таковы, что в кристаллической решетке от каждого атома натрия один электрон переходит к атому хлора. Атомы приобретают заряды (натрий – положительный, хлор – отрицательный), то есть представляют собой ионы  и , которые являются узлами кристаллической решетки и притягиваются друг к другу.

Молекулы воды представляют собой электрические диполи, в них заряды смещены друг относительно друга, и одна сторона молекулы заряжена положительно, а вторая – отрицательно. При контакте с кристаллом соли эти диполи притягиваются своими положительными концами к ионам  и отрицательными – к . В какой-то момент ионы уже притягиваются к молекулам воды сильнее, чем друг к другу, ион выходит из кристаллической решетки в раствор.

Распадаются на ионы не только соли, но и некоторые другие вещества, например растворимые кислоты и основания. Все эти вещества назвали электролитами. Кроме растворения, разрушением кристаллической решетки и распадом на ионы сопровождается плавление электролитов.

Растворы и расплавы электролитов объединяет то, что в них содержатся свободные ионы. Они свободны условно: каждый ион в растворе окружен несколькими молекулами воды, с которыми он взаимодействует. Но тем не менее при наличии внешнего электрического поля ионы движутся под действием этого поля, а движение заряженных частиц – это электрический ток.

Особенность тока в электролитах в том, что он сопровождается переносом вещества, ведь носителями заряда выступают ионы. Ион движется к электроду – с точки зрения рассмотрения тока перемещается заряд. При достижении электрода, естественно, дальше по проводам ион не движется, он передает заряд электроду, и заряд движется дальше. Обратите внимание: ион переместился, разрядился на электроде и стал, например, атомом металла – получили на электроде напыление этого металла. Так, например, можно делать оцинкованные изделия. Если это был ион натрия, то образовавшийся атом натрия реагировал бы с водой, там свои химические реакции. Если это был , в атомарном состоянии хлор долго существовать не смог бы, атомы бы соединились в молекулы  и выделились в виде пузырьков газа.

Процесс выделения на электродах веществ, входящих в состав электролита, при протекании через раствор электрического тока назвали электролизом. Следующее ответвление, в котором мы разберем количественные характеристики электролиза, обязательно к ознакомлению для учеников профильного уровня, для всех остальных – по желанию.

---

 

Электролиз

При протекании тока в электролитах перенос заряда сопровождается переносом массы, так как движется ион, и он обладает строго определенным зарядом и массой. Это значит, что на каждый перенесенный кулон заряда приходится определенная для данного иона масса. Например, если это ион , то с каждым таким ионом переместится заряд, равный , и масса, равная массе атома меди; а если , то с зарядом, равным , переместится масса атома хлора.

Таким образом, понятно, что масса выделившегося на электроде вещества  пропорциональна перенесенному заряду :

Эта закономерность известна как закон Фарадея, где  – электрохимический эквивалент вещества. Не всегда удобно измерять перенесенный при протекании тока заряд, удобнее выразить его через силу тока и время протекания тока:

Если между электродами переместился один ион массой , то он перенес свой заряд . Заряд и массу одного иона можно найти, поэтому удобно выразить электрохимический эквивалент через эти величины:

Заряд иона кратен элементарному заряду

где  – валентность химического элемента.

А массу одного иона удобно выразить через его молярную массу. Молярная масса – это масса одного моля, то есть  ионов. Тогда масса одного иона равна:

Получили, что электрохимический эквивалент равен:

Удобно, что теперь нам не нужно искать таблицу электрохимических эквивалентов разных ионов, достаточно таблицы Менделеева, чтобы найти . Чтобы каждый раз не перемножать две константы  и , это сделали один раз и назвали это произведение постоянной Фарадея:

Тогда закон Фарадея можно переписать в виде:

---

 

Электрический ток в газах

 

 

Мы рассмотрели протекание электрического тока в твердых телах разных типов и в определенном типе жидкостей – электролитах. А может ли электрический ток протекать в газах? Может, свидетельство этому – молния. Разберемся, как и за счет чего это происходит.

 

В обычных условиях газы являются диэлектриками: молекулы электронейтральны, свободных носителей заряда нет, и ток под действием внешнего электрического поля не течет. Но свободные носители заряда в газах могут возникнуть при некоторых условиях вследствие ионизации, когда молекула или атом газа теряет электрон и становится положительным ионом. И ион, и электрон уже являются свободными носителями заряда, и такой газ проводит ток. Ионизированный газ называют плазмой и иногда даже выделяют как отдельное агрегатное состояние вещества.

Электрический ток в газах часто называют разрядом, так как изначально люди не понимали, что газ может проводить ток, и казалось, что заряженные тела разряжаются сами по себе – на самом деле разряд происходил через газ. Кстати, процесс, обратный ионизации, когда положительный ион и электрон соединяются в нейтральную молекулу, назвали рекомбинацией.

Итак, что может привести к ионизации? Вариантов много, но сводятся они к одному: сообщению молекуле газа энергии, достаточной для разрушения связи молекулы с электроном. Например, ионизация может произойти при столкновении молекулы с другой частицей – молекулой, электроном, ионом и т. д. Может – при облучении, например рентгеновским излучением или радиоактивным излучением. Электрон может оторваться от молекулы под действием сильного электрического поля.

Когда возникает одна пара электрон + ион, независимо от того, как она возникла, эти носители заряда во внешнем электрическом поле начинают двигаться. Они могут достичь электродов, и процесс прекратится. Но если поле достаточно сильное и частицы в этом поле набирают достаточно большую скорость, то они могут вызвать ионизацию следующей молекулы при столкновении с ней. Этот процесс назвали ударной ионизацией. В результате возникнет еще одна пара электрон + ион, и они будут также разгоняться и ионизировать следующие молекулы, и процесс может лавинообразно нарастать или хотя бы поддерживаться.

Дополнительные свободные электроны могут также исходить от отрицательно заряженного электрода (катода), например, когда с ним сталкивается положительный ион. Выделяют разные виды разрядов: искровой, тлеющий, коронный – мы не будем вдаваться в их особенности. Разряд может протекать по-разному в зависимости от напряженности электрического поля, давления газа и т. д., и понимая физику процессов, которые там протекают, вы при необходимости сможете в них разобраться.

---

 

Примеры разрядов (молния, лампа, огни Святого Эльма)

Разряд молнии относят к искровым разрядам: они возникают при давлении, близком к атмосферному, и сопровождаются лавинообразной ударной ионизацией. Рассмотрим подробнее. Во время грозы в атмосфере возникает сильное электрическое поле, это происходит из-за электризации при движении воздушных масс, подробно останавливаться на этом не будем. И когда оно уже возникло, что происходит с молекулами воздуха?

Если в воздухе оказывается свободный носитель заряда, например электрон, он разгоняется в электрическом поле до столкновения с молекулой воздуха. Он ее тоже при достаточной энергии может ионизировать – мы уже рассмотрели этот процесс и назвали его ударной ионизацией (см. рис. 5).

Рис. 5. Ударная ионизация

Так вот, при атмосферном давлении концентрация молекул воздуха достаточно большая, и нужно, чтобы до столкновения с молекулой скорость электрона была достаточно высокой для ионизации, а значит, поле должно быть достаточно сильным.

Как раз такое поле возникает в атмосфере.

Когда процесс ударной ионизации запускается, он может распространяться в разных направлениях, в каких-то направлениях может затухнуть, но в итоге он может достичь земли (или другой воздушной массы, если поле возникает между двумя заряженными воздушными массами). Тогда образуется непрерывный проводящий канал (см. рис. 6) (так как там, на пути лавины ударной ионизации, воздух ионизирован), и по этому каналу очень быстро проходит большой заряд – это и есть удар молнии. Большая энергия выделяется в виде нагревания, свечения, механической волны (как при взрыве).

Рис. 6. Образование канала молнии

Что будет происходить, если электрическое поле будет сильно неоднородным, например возле острия заряженных тел? Из урока электростатики вы помните, что вблизи сильных выпуклостей напряженность поля высока и в таких условиях тоже будет возникать ударная ионизация. Только по мере отдаления от острия поле ослабевает, ионизация затухает, а заряд рассеивается – такого пробоя, как при молнии, не возникает. Разряд такого типа назвали коронным (см. рис. 7): он вызывает свечение воздуха вблизи острых выпуклостей, напоминающий корону. Его можно иногда увидеть на элементах высоковольтных линий электропередачи, на мачтах кораблей перед грозой (такое свечение моряки назвали огнями Святого Эльма – покровителя моряков в католицизме).

Рис. 7. Коронный разряд

Теперь создадим электрическое поле в колбе и откачаем часть газа. При уменьшении концентрации молекул газа движущийся в электрическом поле электрон реже сталкивается с молекулами. У электрона появляется больше времени на разгон до скорости, нужной для ионизации, поэтому ионизация в таких системах возможна при небольшой напряженности электрического поля. При определенном соотношении давления, напряженности электрического поля, силы тока возникает стабильный светящийся разряд с невысокой температурой газа, который назвали тлеющим. Цвет свечения определяется газом: это может быть неон в неоновых лампах, пар ртути в люминесцентных лампах и т.

д. (см. рис. 8).

Рис. 8. Тлеющий разряд в различных газах

---

Подробнее рассмотрим случай, когда отрицательный электрод может быть источником свободных электронов. Мы говорили, что положительный ион может выбить электрон при столкновении. Электрон также может покинуть катод при нагревании. Происходит процесс, похожий на испарение: при высокой температуре энергия движения электронов может оказаться достаточной для того, чтобы электрон преодолел притяжение и покинул электрод.

В этом случае для протекания тока не нужна даже ионизация газа: электрон покинул катод – и вот это уже свободный носитель заряда, готовый двигаться под действием внешнего поля. Можно поместить электроды в колбу, откачать из нее газ, и поток электронов будет представлять собой электрический ток.

Конечно, откачать весь газ из колбы невозможно, но при определенной концентрации его будет так мало, что электрон успеет пройти расстояние между электродами, не столкнувшись ни с одной с молекулой газа. Такую систему уже можно условно считать вакуумом. В этом смысле можно считать, что электрический ток возможен в вакууме.

 

Список литературы

1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика 10. – М.: Просвещение, 2008.
2. Касьянов В.А. Физика 10. – М.: Дрофа, 2000.
3. М.М. Балашов, А.И. Гомонова, А.Б. Долицкий и др. Физика: Механика 10. – М.: Дрофа, 2004.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал Класс!ная физика
2. Интернет-портал Класс!ная физика
3. Интернет-портал Класс!ная физика
4. Интернет-портал Класс!ная физика
5. Интернет-портал Класс!ная физика

 

Домашнее задание

1. Почему при увеличении температуры сопротивление проводников увеличивается, а полупроводников – уменьшается?
2. Опишите механизм ударной ионизации в газах.

 

 

В конспекте использованы изображения с сайтов:

https://physics. ru

https://infourok.ru

https://mirtesen.ru

https://ru.wikipedia.org

https://www.wikiwand.com

 

 

Скорость электронов меньше чем скорость распространения тока

Вопросы на тему «Электрический ток в металлах»

Вопрос 1. Что такое электрический ток?

Ответ.

Через различные вещества электрический ток проходит по-разному. Одним из условий возникновения электрического тока является наличие свободных зарядов, способных двигаться под действием электрического поля.

Вопрос 2. Каковы проводящие особенности металлов?

Ответ. Металлы – вещества, относящиеся к группе проводников. 

• В твёрдом состоянии металлы имеют кристаллическую структуру: расположение атомов в пространстве характеризуется периодической повторяемостью и образует геометрически правильный рисунок, называемый кристаллической решёткой; 
• Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, расположенных на внешней электронной оболочке. Эти валентные электроны слабо связаны с ядром, и атом легко может их потерять. Когда атомы металла занимают места в кристаллической решётке, валентные электроны покидают свои оболочки — они становятся свободными.

Экспериментально доказано, что носителями тока в металлах являются электроны. Проводимость металлических проводников называется электронной проводимостью.

Вопрос 3. Почему в проводниках (металлах) возникает ток?

Ответ. Электрический ток в металлах возникает под действием внешнего электрического поля. На электроны проводимости, находящиеся в этом поле, действует электрическая сила, сообщающая им ускорение, направленное в сторону, противоположную вектору напряженности поля. В итоге электроны приобретают некоторую добавочную скорость. Эту скорость электронов еще называют дрейфовой.

Вопрос 4. Почему проводники нагреваются, когда по ним протекает ток?

Ответ. При столкновении с ионами кристаллической решетки, электроны проводимости передают последним часть кинетической энергии. Это приводит к увеличению энергии движения ионов кристаллической решетки, а, следовательно, и к нагреванию проводника.

Вопрос 5. С какой скоростью распространяется ток в металлах?

Ответ. Следует помнить, что скорость распространения тока и скорость движения свободных электронов в металле – не одно и то же. Скорость распространения тока равна скорости распространения электрического поля в пространстве (скорости света), а дрейфовая скорость составляет лишь несколько долей миллиметра в секунду. 

Нужна помощь в решении задач или выполнении других заданий? Обращайтесь в профессиональный сервис для учащихся в любое время.

Скорость тока и скорость света – можно ли поставить знак равенства?

Очевидно, что быстрота движения электрических зарядов в проводах даже не близка к световой. Если бы это было правдой, современная энергетика не существовала в том виде, в котором она представлена сейчас. Добавилась бы необходимость решения сложных технических задач: на скорости 300 000 км/с заряженные частицы не способны следовать за поворотами. После разгона на прямом участке частицы бы просто вылетали по касательной, что в свою очередь требовало бы установок электромагнитных ловушек в проводах. Из-за этого участки проводки напоминали бы фрагменты адронного коллайдера.

Скорость передвижения элементарных частиц намного меньше, чем скорость света, несмотря на то, что в школе учат правилу: «Скорость тока в проводнике идентична быстроте распространения электромагнитной волны». Чтобы убедиться в этом, достаточно провести простые опыты с постоянными магнитами или эбонитом.

ФИЗИКА

§ 34. Электрический ток в металлах

Металлы в твёрдом состоянии, как известно, имеют кристаллическое строение. Частицы в кристаллах расположены в определённом порядке, образуя пространственную (кристаллическую) решётку.

В узлах кристаллической решётки металла расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся свободные электроны. Свободные электроны не связаны с ядрами своих атомов (рис. 53).

Рис. 53. Кристаллическая решётка металла

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.

Итак, электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.

Мандельштам Леонид Исаакович (1879—1944)
Российский физик, академик. Внёс существенный вклад в развитие радиофизики и радиотехники.

Папалекси Николай Дмитриевич (1880—1947)
Российский физик, академик. Занимался исследованиями в области радиотехники, радиофизики, радиоастрономии.

Доказательством того, что ток в металлах обусловлен электронами, явились опыты физиков нашей страны Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси, а также американских физиков Бальфура Стюарта и Роберта Толмена.

Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля невелика — несколько миллиметров в секунду, а иногда и еще меньше. Но как только в проводнике возникает электрическое поле, оно с огромной скоростью, близкой к скорости света в вакууме (300 000 км/с), распространяется по всей длине проводника.

Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. Так, например, при замыкании цепи электрической лампы в упорядоченное движение приходят и электроны, имеющиеся в спирали лампы.

Понять это поможет сравнение электрического тока с течением воды в водопроводе, а распространения электрического поля — с распространением давления воды. При подъёме воды в водонапорную башню давление (напор) воды очень быстро распространяется по всей водопроводной системе. Когда мы открываем кран, то вода уже находится под давлением и сразу начинает течь. Но из крана течёт та вода, которая была в нём, а вода из башни дойдёт до крана много позднее, так как движение воды происходит с меньшей скоростью, чем распространение давления.

Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.

Электрический ток в металлах

Электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s = 8000 км), приходит туда примерно через 0,03 с.

Вопросы

1. Как объяснить, что в обычных условиях металл электрически нейтрален?
2. Что происходит с электронами металла при возникновении в нём электрического поля?
3. Что представляет собой электрический ток в металле?
4. Какую скорость имеют в виду, когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике?

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 мм2 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.

Электрический ток в газах

Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.

Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.

Ионизированное состояние газа получило название плазмы

. В масштабах Вселенной плазма — наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.

Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом

В «рекламной» неоновой трубке протекает тлеющий разряд

. Светящийся газ представляет собой «живую плазму».

Между электродами сварочного аппарата возникает дуговой разряд .

Дуговой разряд горит в ртутных лампах — очень ярких источниках света.Искровой разряд наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!

Длякоронного разряда характерно свечение газа, образуя «корону», окружающую электрод. Коронный разряд — основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.

Популярные заблуждения о скорости света

Еще одним примером такого поверхностного восприятия можно назвать понятие о природе молнии. Многие ли задумываются, какие физические процессы происходят во время грозы? Какова, например, скорость молнии? Можно ли без приборов узнать, на какой высоте бушуют грозовые разряды? Разберемся со всем этим по порядку.

Кто-то может сказать, что молния бьет со скоростью света, и будет не прав. Настолько быстро распространяется вспышка, вызванная гигантским электрическим разрядом в атмосфере, но сама молния гораздо медленнее. Грозовой разряд – это не удар луча света наподобие лазера, хотя визуально похоже. Это сложная структура в насыщенной электричеством атмосфере.

Ступенчатый лидер или главный канал молнии формируется в несколько этапов. Каждая ступень в десятки метров образуется со скоростью около 100 км/сек вдоль разрядных нитей из ионизированных частиц. Направление меняется на каждом этапе, поэтому молния имеет вид извилистой линии. 100 километров в секунду – это быстро, но до скорости электромагнитной волны очень далеко. В три тысячи раз.

Вольт-амперная характеристика металлов.

Сила тока в проводниках по закону Ома прямо пропорциональна напряжению. Такая зависимость имеет место для проводников со строго заданным сопротивлением (для резисторов). Но так как сопротивление металлов зависит от температуры, то вольт-амперная характеристика металлов не является линейной. Удельное сопротивление, а следовательно, и сопротивление металлов, зависит от температуры, увеличиваясь с ее ростом.Температурная зависимость сопротивления проводника объясняется тем, что 1.возрастает интенсивность рассеивания (число столкновений) носителей 2.изменяется их концентрация при нагревании проводника. При не слишком высоких и не слишком низких температурах зависимости удельного сопротивления и сопротивления проводника от температуры выражаются формулами: ρt=ρ0(1+αt), Rt=R0(1+αt), Тангенс угла наклона графика равен проводимости проводника. Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению где G — проводимость.

Электрические токи в природе

Молния

Атмосферное электричество — электричество, которое содержится в воздухе. Впервые показал присутствие электричества в воздухе и объяснил причину грома и молнии Бенджамин Франклин.

В дальнейшем было установлено, что электричество накапливается в сгущении паров в верхних слоях атмосферы, и указаны следующие законы, которым следует атмосферное электричество:

• при ясном небе, так же как и при облачном, электричество атмосферы всегда положительное, если на некотором расстоянии от места наблюдения не идёт дождь, град или снег;
• напряжение электричества облаков становится достаточно сильным для выделения его из окружающей среды лишь тогда, когда облачные пары сгущаются в дождевые капли, доказательством чего может служить то, что разрядов молний не бывает без дождя, снега или града в месте наблюдения, исключая возвратный удар молнии;
• атмосферное электричество увеличивается по мере возрастания влажности и достигает максимума при падении дождя, града и снега;
• место, где идёт дождь, является резервуаром положительного электричества, окружённым поясом отрицательного, который, в свою очередь, заключён в пояс положительного. На границах этих поясов напряжение равно нулю.

Движение ионов под действием сил электрического поля формирует в атмосфере вертикальный ток проводимости со средней плотностью, равной около (2÷3)·10−12 А/м².

Полный ток, текущий на всю поверхность Земли, при этом составляет приблизительно 1800 А.

Молния является естественным искровым электрическим разрядом. Была установлена электрическая природа полярных сияний. Огни святого Эльма — естественный коронный электрический разряд.

Биотоки — движение ионов и электронов играет весьма существенную роль во всех жизненных процессах. Создаваемый при этом биопотенциал существует как на внутриклеточном уровне, так и у отдельных частей тела и органов. Передача нервных импульсов происходит при помощи электрохимических сигналов. Некоторые животные (электрические скаты, электрический угорь) способны накапливать потенциал в несколько сот вольт и используют это для самозащиты.

Скорость тока и скорость света – можно ли поставить знак равенства?

Очевидно, что быстрота движения электрических зарядов в проводах даже не близка к световой. Если бы это было правдой, современная энергетика не существовала в том виде, в котором она представлена сейчас. Добавилась бы необходимость решения сложных технических задач: на скорости 300 000 км/с заряженные частицы не способны следовать за поворотами. После разгона на прямом участке частицы бы просто вылетали по касательной, что в свою очередь требовало бы установок электромагнитных ловушек в проводах. Из-за этого участки проводки напоминали бы фрагменты адронного коллайдера.

Скорость передвижения элементарных частиц намного меньше, чем скорость света, несмотря на то, что в школе учат правилу: «Скорость тока в проводнике идентична быстроте распространения электромагнитной волны». Чтобы убедиться в этом, достаточно провести простые опыты с постоянными магнитами или эбонитом.

Скорость тока и скорость света – можно ли поставить знак равенства?

Очевидно, что быстрота движения электрических зарядов в проводах даже не близка к световой. Если бы это было правдой, современная энергетика не существовала в том виде, в котором она представлена сейчас. Добавилась бы необходимость решения сложных технических задач: на скорости 300 000 км/с заряженные частицы не способны следовать за поворотами. После разгона на прямом участке частицы бы просто вылетали по касательной, что в свою очередь требовало бы установок электромагнитных ловушек в проводах. Из-за этого участки проводки напоминали бы фрагменты адронного коллайдера.

Скорость передвижения элементарных частиц намного меньше, чем скорость света, несмотря на то, что в школе учат правилу: «Скорость тока в проводнике идентична быстроте распространения электромагнитной волны». Чтобы убедиться в этом, достаточно провести простые опыты с постоянными магнитами или эбонитом.

Применение свойств электрического тока в металлах

Имеет отношение к следующим отраслям:

1. Передача электроэнергии от источника к потребителям.
2. Электродвигатели.
3. Нагревательные приборы всех типов, предназначенных для промышленности и домашнего использования: спирали для ламп освещения, нагревательные спирали тэнов (обогреватели, чайники и т.д.).
4. Получение сильных магнитных полей (МРТ, электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в ускорителях для ракет и генераторов).
5. Электроизмерительные приборы: амперметры, вольтметры, электрические счетчики и др.
6. В металлургии:

• гальваностегия — электрохимический процесс покрытия одних металлов другими, более устойчивыми к коррозии: золочение, серебрение, никелирование и т. д. Ис­пользуется также для придания изделиям декоративного вида;
• гальванопластика — получение металлических копий с рельефов. Гипсовый оттиск рельефа покрывают слоем графита и погружают в электролит — раствор соли металла, который осаждается на оттиске, как на катоде. После удаления гипса получается металлическая копия рельефа;
• электролитическое рафинирование позволяет очищать цветные металлы от примесей.

Свободные носители электрического заряда в металлах.

Электрический ток в металлах обуславливается упорядоченным движением свободных электронов (электронов проводимости). Положительно заряженные ионы не принимают участия в переносе заряда.

Электронную природу носителей тока в металлах объясняют таким образом:

Кристаллическая решетка металла состоит из положительных ионов, которые расположены в узлах решетки, и электронов, которые свободно передвигаются между узлами. Эти электроны — являются валентными электронами атомов металла, которое оставили свои атомы. Свободные электроны беспорядочно двигаются по кристаллу, «не помня» уже, какому атому они принадлежали. Их также называют электронным газом. Естественно, при этом сумма положительных зарядов ионов решетки равняется суммарному отрицательному заряду свободных электронов, значит, металл остается незаряженным, или электронейтральным.

Не думайте, что под действием электрического тока все электроны в проводнике направляются в одном направлении. У них просто появляется преимущественное направление движения (вдоль поля), накладывающееся на хаотическое движение в отсутствие поля.

Причем средняя скорость движения электронов составляет несколько миллиметров в секунду. Однако скорость распространения самого электрического поля — окло 3 · 10 8 м/с. С такой же скоростью распро­страняется электрический ток.

Здесь можно провести аналогию электрического тока с течением воды в водопроводе, а распространение электрического поля — с распространением давления воды. Вода в кране находится под давлением всего столба воды в водонапорной башне. Но из крана течет та вода, которая в нем была, а вода из башни дойдет до крана гораздо позднее, т. к. движение воды происходит с гораздо меньшей скоростью, чем распространение давления.

Существование свободных электронов в металлах доказано опытнм путем Л. И. Мандельшта­ма и Н. Д. Папалекси (качественно), Б. Стюартом и Р. Томсоном — с получением количественных результатов (1916 г.).

Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки через специальные контакты замыкались на чувствительный гальванометр. После раскручивания катушки она резко тормози­лась специальным приспособлением. При этом гальванометр регистрировал кратковременный ток, направление которого указывало на отрицательный знак носителей заряда. В опыте были использованы инерционные свойства электронов: при резком торможении проводника они продолжали некоторое время двигаться (подобно пассажирам резко тормозящего вагона). Из этих опытов было определено отношение заряда к массе носителя то­ка, которое совпало с соответствующим значением для электрона (1,8 · 10 11 Кл/кг.)

Основы электронной теории проводимости

В начале XX века была создана классическая электронная теория проводимости металлов (П. Друде, 1900 г., Х.Лоренц, 1904 г.), которая дала простое и наглядное объяснение большинства электрических и тепловых свойств металлов.

Рассмотрим некоторые положения этой теории.

Свободные электроны

Металлический проводник состоит из:

1) положительно заряженных ионов

, колеблющихся около положения равновесия, и

2) свободных электронов

, способных перемещаться по всему объему проводника.

Таким образом, электрические свойства металлов обусловлены наличием в них свободных электронов с концентрацией порядка 1028 м–3, что примерно соответствует концентрации атомов. Эти электроны называются электронами проводимости

. Они образуются путем отрыва от атомов металлов их валентных электронов. Такие электроны не принадлежат какому-то определенному атому и способны перемещаться по всему объему тела.

В металле в отсутствие электрического поля электроны проводимости хаотически движутся и сталкиваются, чаще всего с ионами кристаллической решетки (рис. 1). Совокупность этих электронов можно приближенно рассматривать как некий электронный газ, подчиняющийся законам идеального газа. Средняя скорость теплового движения электронов при комнатной температуре составляет примерно 105 м/с.

Рис. 1

Электрический ток в металлах

Ионы кристаллической решетки металла не принимают участие в создании тока. Их перемещение при прохождении тока означало бы перенос вещества вдоль проводника, что не наблюдается. Например, в опытах Э. Рикке (1901 г.) масса и химический состав проводника не изменялся при прохождении тока в течении года.

Экспериментальное доказательство того, что ток в металлах создается свободными электронами, было дано в опытах Л.И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (1912 г., результаты не были опубликованы), а также Т. Стюарта и Р. Толмена (1916 г.). Они обнаружили, что при резкой остановке быстро вращающейся катушки в проводнике катушки возникает электрический ток, создаваемый отрицательно заряженными частицами — электронами.

Следовательно,

электрический ток в металлах — это направленное движением свободных электронов.

Так как электрический ток в металлах образуют свободные электроны, то проводимость металлических проводников называется электронной проводимостью

Электрический ток в металлах возникает под действием внешнего электрического поля. На электроны проводимости, находящиеся в этом поле, действует электрическая сила, сообщающая им ускорение, направленное в сторону, противоположную вектору напряженности поля. В результате электроны приобретают некоторую добавочную скорость (ее называют дрейфовой

). Эта скорость возрастает до тех пор, пока электрон не столкнется с атомом кристаллической решетки металла. При таких столкновениях электроны теряют свою избыточную кинетическую энергию, передавая ее ионам. Затем электроны снова разгоняются электрическим полем, снова тормозятся ионами и т.д. Средняя скорость дрейфа электронов очень мала, около 10–4 м/с.

Скорость распространения тока и скорость дрейфа не одно и то же. Скорость распространения тока равна скорости распространения электрического поля в пространстве, т.е. 3⋅108 м/с.

При столкновении с ионами электроны проводимости передают часть кинетической энергии ионам, что приводит к увеличению энергии движения ионов кристаллической решетки, а, следовательно, и к нагреванию проводника.

Сопротивление металлов

Сопротивление металлов объясняется столкновениями электронов проводимости с ионами кристаллической решетки. При этом, очевидно, чем чаще происходят такие столкновения, т. е. чем меньше среднее время свободного пробега электрона между столкновениями τ, тем больше удельное сопротивление металла.

В свою очередь, время τ зависит от расстояния между ионами решетки, амплитуды их колебаний, характера взаимодействия электронов с ионами и скорости теплового движения электронов. С ростом температуры металла амплитуда колебаний ионов и скорость теплового движения электронов увеличиваются. Возрастает и число дефектов кристаллической решетки. Все это приводит к тому, что при увеличении температуры металла столкновения электронов с ионами будут происходить чаще, т.е. время τ уменьшается, а удельное сопротивление металла увеличивается.

См. так же

1. Варламов А. Как в металле протекает электрический ток? // Квант. – 1995. – № 1. – С. 37-38.
2. Эдельман В. Металлы. Почему металлы проводят ток? //Квант. — 1992. — № 2. — С. 6-9.

Почему ток в розетке и проводах не бежит со скоростью света? Или все-таки…

Со светом все просто и прозрачно: скорость полета фотона равна скорости распространения светового луча. С электронами сложнее. Электрический ток сильно отличается от видимого излучения. Почему считается, что скорость полета фотонов в вакууме и скорость электронов в проводнике одинакова? Утверждение основано на фактических результатах. В 1888 году немецкий ученый Генрих Герц экспериментально установил, что электромагнитная волна распространяется в вакууме так же быстро как свет. Но можно ли говорить, что электроны в проводнике летят со скоростью света? Надо разобраться с природой электричества.

Сравнение скорости электрона и скорости электрического тока

На главную страницу Скорость  электрического тока как критерий выбора носителей электрического тока                    Скорость носителей электрического тока должна совпадать со скоростью электрического тока.  Сейчас в электродинамике принята физическая модель электрического тока, в которой носителями электрического тока являются электроны проводимости. Из анализа свойств индуктивного тока выведена другая физическая модель, где носителями электрического тока являются электроны, связанные в комплексы с магнитным полем проводника. Проведём сравнительный анализ скорости этих двух физических моделей. Сначала рассмотрим физическую модель электрического тока,  где носителями электрического тока являются электроны проводимости.   1. Физическая модель, в которой носителями электрического тока являются электроны.   Скорость электрического тока равна скорости света.  Электроны проводимости не могут достичь такой скорости. Согласно теории относительности Эйнштейна, скорость любых частиц, обладающих не нулевой массой покоя, не может достичь скорости света.   Но в проводнике первого рода ситуация с согласованием скоростей носителей электрического тока и самого электрического тока ещё хуже. Скорость электронов проводимости должна быть больше в 10.000.000.000.000.000.000.000.000 раз максимально возможной направленной скорости электронов. Согласно существующей теории электрического тока, при постоянном электрическом токе электроны проводимости, переносящие электрический ток от электростанции до потребителя дойдут лет через сто (в зависимости от расстояния), а при переменном токе – никогда.  Однако мы знаем, что при включении рубильника на электростанции, напряжение мгновенно (со скоростью света), появляется у потребителя. Это известно из практики, поэтому в электродинамике скорость электрического тока принято считать равной скорости света независимо от того, что электроны не могут достичь этой скорости.  «Мы бы еще хотели подчеркнуть, что явление магнетизма — это на самом деле чисто релятивистский эффект. В только что рассмотренном случае двух зарядов, движущихся параллельно друг к другу, можно было бы ожидать, что понадобится сделать релятивистские поправки к их движению порядка . Эти поправки должны отвечать магнитной силе. Но как быть с силой взаимодействия двух проводников в нашем опыте (рис. 1)? Ведь магнитная сила — вся действующая сила. Она не очень — то смахивает на «релятивистскую поправку». Кроме того, если оценивать скорости электронов в проводе, то их средняя скорость вдоль провода составляет около 0,01 см/сек.                                         Рис. 1   Итак,  равно примерно . Вполне пренебрежимая «поправка». Но нет! Хоть в этом случае магнитная сила и составляет  от «нормальной» электрической силы, действующей между движущимися электронами, вспомните, что «нормальные» электрические силы исчезли в результате почти идеального баланса   из — за того, что количества протонов и электронов в проводах одинаковы. Этот баланс намного более точен, чем , и тот малый релятивистский член, который мы называем магнитной силой, — это единственный остающийся член, он становится преобладающим. Почти полное уничтожение электрических эффектов и позволило физикам изучить релятивистские эффекты (т.е. магнетизм), и открыть правильные уравнения (с точностью до ), даже не зная, что в них происходит». [1] Для физики отказ от познания физической природы электрического тока выглядит странно, тем более что расхождение теоретических предположений и экспериментальных данных настолько большое, что можно говорить о неверно выбранных носителях электрического тока. Носители электрического тока должны перемещаться                     вдоль проводника со скоростью, превосходящей максимальную скорость направленного движения электронов в  (10.000.000.000.000.000.000.000.000) раз. Это для случая, когда проводник расплавляется. Для реальных токов это соотношение ещё больше. Это означает, что носители тока в теории электрического тока ещё не определены, и нужно продолжать исследования в этом направлении. Для поиска носителей электрического тока могут помочь эксперименты М. Фарадея с индукционным электрическим током. Индукционный ток может существовать только в случае очень жесткой взаимосвязи между электронами и магнитным полем. Носителем индукционного тока являются электроны, связанные в единый комплекс с магнитным полем.   2. Физическая модель, в которой носителями электрического тока являются связанные в единые комплексы электроны проводимости – магнитное поле.   В физической модели электрического тока, где носителями электрического тока являются электроны, связанные в единые комплексы электрон – магнитное поле, величина направленной скорости электронов проводимости значения не имеет. Процесс прохождения электрического тока при носителях электрического тока электронах, связанных в единый комплекс с магнитным полем, происходит следующим образом. При подаче электрического напряжения на проводник, электрическое поле  распространяется вдоль проводника со скоростью света. При своём распространении электрическое поле взаимодействует с уже находящимися в проводнике электронами проводимости. Воздействуя на электроны, внешнее напряжение заставляет электроны двигаться. Это движение возбуждает магнитное поле за счет взаимодействия внутри единого комплекса электрон – магнитное поле.   Скорость электрического тока при носителях электрического тока электронах, связанных в единый комплекс с магнитным полем, всегда равна скорости света. Вывод: электроны, связанные в единый комплекс с магнитным полем, полностью  подходят на роль носителей электрического тока.   Другой проблемой существующей физической модели электрического тока является предполагаемая зависимость скорости электрического тока от скорости электронов, как объём воды, протекающей по шлангу, зависит от скорости потока воды. Физическая модель потока электричества по проводнику должна сопровождаться соответствующими выводами. В шланге с водой, чем больше поток воды, тем больше скорость движения воды. Скорость электрического тока также должна зависеть от силы тока. Чем больше сила тока, тем больше должна быть скорость электрического тока. Исходя из этой физической модели, теория электрического тока должна была вывести основную формулу — зависимость скорости электрического тока от его величины. Эта формула не была выведена, поскольку известно, что скорость электрического тока не зависит от скорости направленного движения электронов. В альтернативной физической модели электрического тока, где носителями электрического тока являются электроны, связанные в  единые комплексы с магнитным полем, скорость электрического тока не зависит от величины электрического тока и всегда равна скорости света. Процесс прохождения электрического тока в соответствии с этой физической моделью происходит следующим образом. При подаче напряжения на проводник, электрическое поле распространяется вдоль проводника со скоростью света. При своём распространении электрическое поле взаимодействует с уже находящимися в проводнике электронами проводимости, связанные в единые комплексы с магнитным полем проводника. Образуется магнитное поле проводника и возникает электрический ток.         Вывод: электроны проводимоти, связанные в комплексы с магнитным полем, полностью  подходят на роль носителей электрического тока.     Литература   1.   Фейнмановские лекции по физике. М., Издательство Мир, 1976. 2. Дрюков В.М. О чём молчат физики. Тула, 2004. 3 http://drjukow.narod.ru/. 4. https://sites.google.com/site/drjukow. 5. Дрюков В.М. Физика. Дополнительные материалы. Тула изд. ООО Аквариус. 2021 Поиск носителей электрического тока

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

Поиск

Задайте 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 полярность, электрон должен двигаться в обратном направлении, т. е. на шаг вперед и на шаг назад. Как оно вообще движется? Если я предполагаю, что электрон не движется, а энергия, которую он производит, движется, то как же он движется? Как мы на самом деле получаем какой-либо ток?
— Риа (21 год)
Калькутта, Индия

A:

Здравствуйте, Риа,

. Интересные вопросы!

  В проводниках много подвижных электронов. Для многих металлов на атом приходится около одного свободного электрона. Эти электроны имеют довольно большие скорости, поскольку они заполняют энергетические уровни подобно тому, как электроны в атомах заполняют имеющиеся энергетические уровни. Когда приложено электрическое поле, они подвижны и быстро перемещаются (среднее чистое движение в дополнение к их хаотичному движению), чтобы нейтрализовать поле, и поэтому хорошим низкочастотным приближением является то, что электрические поля внутри проводников всегда равны нулю.

  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. Но происходит то, что большое количество электронов все вместе меняют свои позиции. Когда вы прикладываете электрическое поле к проводнику, каждый электрон должен двигаться лишь немного, но все они движутся вместе, поэтому суммарный ток может быть довольно высоким.

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.

TOM

(опубликовано 22.10.2007)

Последующее наблюдение по этому ответу

Связанные вопросы

• Емкости. электронов

• питание галогенных ламп

• плазма и электричество

• фотон-фотонные столкновения

• статический заряд на волосах

• 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

Средняя дрейфовая скорость электрона в проводнике

Я думаю, что описание в учебнике — это случай, когда все выходит из-под контроля.

Если вы проверите http://en.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity, там будет сказано, что скорость дрейфа является фактором приложенного электрического поля и подвижности носителя. Однако, если вы исследуете мобильность носителей, http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_mobility говорит, что тип ускорения, который вы описываете, возможен в твердых телах для расстояний/времен, столь же малых/коротких, как средний свободный путь/время, но что в в этих случаях «скорость дрейфа и подвижность не имеют значения». Поэтому я думаю, что скорость дрейфа должна быть для многократного рассеяния. (У вас даже есть одна скорость дрейфа для дырок и другая для электронов.)

Чтобы быть справедливым к изложению учебника, такое описание обычно появляется при обсуждении того, почему многие материалы являются омическими, в частности, ситуация с подвижностью в слабом поле, которая часто является постоянной (скорость дрейфа пропорциональна приложенному электрическому полю). Идея заключалась в том, что существует очень большая тепловая скорость носителя, и что для приложенного электрического поля скорость не изменилась в процентном отношении. Таким образом, для эффективного характеристического времени между эффективными столкновениями время между столкновениями на самом деле не сильно изменилось. Таким образом, более сильные поля просто имеют пропорционально более сильные эффекты и изменения скорости

В этом смысле фактор два не имеет значения, это просто характерное время, и в пределе нижнего поля это характерное время не меняется для разных прикладных полей. Это не буквальное время между классическими столкновениями классических частиц.

Что такое характерное время?

Важно убедиться, что вы знаете, что средняя скорость, которую вы пытаетесь найти (дрейфовая скорость), на самом деле не является усредненной по времени скоростью любого конкретного электрона. Вместо этого вы берете импульс каждого электрона и складываете их, чтобы получить общий импульс электронов, делите его на количество электронов, чтобы получить средний импульс электронов, а затем решаете это для скорости. Так что это действительно пространственное среднее. Есть чувства, когда это может быть очень близко к среднему времени, но это может быть менее чем полезно.

Итак, некоторые электроны движутся медленнее, некоторые быстрее. В любой момент (или небольшой промежуток времени) некоторые из них подходят достаточно близко к другим частям провода (или настолько близко друг к другу), что обмениваются с ними импульсом, поэтому не сохраняйте весь импульс, который мог бы удержать электрическое поле. дайте им этот импульс (или небольшой временной интервал). В отсутствие приложенного поля электроны как группа имеют распределение скоростей: одни медленнее, другие быстрее, а некоторые направлены в разные стороны. Во временном интервале может случиться так, что электрон в определенной области изменится с более быстрого на более медленный или с электрон, движущийся в одном направлении, на электрон, движущийся в другом направлении. Но распределение скоростей остается прежним.

Итак, в действительности электрическое поле может придать импульс каждому электрону, но иногда вместо того, чтобы получить этот импульс и двигаться дальше в этом направлении, электрон обменивается им с другими.

Теперь, когда мы знаем, что происходит на самом деле, давайте посмотрим на случай отсутствия приложенного электрического поля, но сильно упростим ситуацию. Это чрезвычайно грубое упрощение состоит в том, что электрон движется по прямой линии с любой скоростью, а затем очень быстро получает удар и начинает двигаться в случайном направлении и со случайной скоростью (но случайно выбранной из распределения вероятностей, подобного распределению всей коллекции). 6$ метров в секунду, что близко к 1% скорости света, довольно быстро, и немногие движутся намного быстрее и немногие движутся намного медленнее и одинаково движутся по проводу во всех направлениях.)

Таким образом, вы можете упростить, а затем попытаться упростить время между столкновениями, которое примерно связано с расстоянием между объектами и вашей скоростью. Ваша скорость почти такая же. Так что между столкновениями есть время. Это характерное время, но на самом деле там нет скорости дрейфа, потому что на самом деле он не движется по прямой линии, а затем очень сильно ударяется очень быстро. Это просто история, которая достаточно эквивалентна, чтобы дать правильные ответы на некоторые вопросы. Достаточно правильных характеристик, чтобы объяснить, почему материал является омическим в том смысле, что для множества различных полей пропорциональность между плотностью тока и электрическим полем постоянна. На самом деле это не постоянно, это зависит от плотности и температуры и тому подобного. 9{20}$ или больше в разных направлениях. Но они не усредняются до нуля, когда есть приложенное поле, их немного больше, указывающих в одну сторону, чем в противоположную, и немного больше в одних направлениях, чем в других. Это среднее пространственное значение скоростей и есть скорость дрейфа. На самом деле это просто общая плотность тока, написанная так, как если бы она была средней скоростью зарядов. Это происходит из-за суммарного эффекта провода и электрического поля. Давайте поговорим об этом больше.

Как рассеяние противостоит электрическому полю?

Забудем пока об электрическом поле, давайте посмотрим, что провод делает и может делать с электронами. Проволока имеет подвижные носители, которые могут перемещаться, и это части, более или менее фиксированные в расположении относительно друг друга. Как и части поезда, весь поезд может двигаться, но каждое кресло в поезде находится на фиксированном расстоянии от других кресел поезда.

Если поезд начинает двигаться, а человек сидит на стуле, стул может толкать его до тех пор, пока он не начнет двигаться вместе с поездом. 6$ метров в секунду, но в среднем в пространстве он находится в состоянии покоя). Таким образом, электроны оказываются покоящимися (усредненными по пространству) в движущейся проволоке. Но точно так же, как мяч в конечном итоге ударяется о заднюю часть поезда или пол поезда, электроны в конечном итоге увлекаются. Проволока, мчащаяся к ним, бьет сильнее с одной стороны, чем с другой. Сначала они бегают во всех направлениях с одинаковой скоростью, но когда они сталкиваются с частью проволоки, эта часть проволоки движется, поэтому, когда они ударяются головой, их толкают сильнее, а когда они обгоняют ее, их отталкивают менее сильно. чистый эффект заключается в том, что они начинают двигаться в направлении провода со скоростью провода.

Теперь давайте поговорим об электрическом поле. Представьте себе электрическое поле, направленное в направлении x, затем оно хочет ускорить электроны в направлении -x. Но что, если провод движется в направлении х. Если бы он двигался с правильной скоростью, электроны заставляли бы двигаться в направлении х ровно столько же в пространственном среднем, сколько электрическое поле заставляет их двигаться в направлении -х. Таким образом, чистый эффект заключается в том, что электроны будут двигаться одинаково во всех направлениях.

Именно это и происходит в кадре, движущемся со скоростью дрейфа. В этой системе электроны движутся одинаково во всех направлениях, провод движется с дрейфовой скоростью и существует электрическое поле. Это буквально то, откуда берется скорость дрейфа. Скорость провода относительно средней скорости электронов, которая производит такое же ускорение от взаимодействия электрона с проводом, какое электрон получает от взаимодействия электрона с электрическим полем.

Медь и электричество. Скорость дрейфа.

Медь и электричество. Скорость дрейфа.

стр. 6 Скорость дрейфа Скорость дрейфа и ток

Рисунок 2. 6 Все электроны в цилиндре объемом В = A v t протекают мимо точки за время t.

С какой скоростью должны двигаться свободные электроны в проводе, чтобы производить приличный ток? «Ток» означает скорость, с которой электрический заряд проходит через точку в цепи. Представьте, что вы стоите в точке X с секундомером и отсчитываете протекающий заряд. (Надо представить, что все электроны движутся с одинаковой скоростью, v.) Посмотрим, что произойдет с электроном, выделенным красным. Предположим, вы запускаете свои часы и даете им поработать какое-то время, t. Выделенный электрон электрон пройдет некоторое расстояние. На самом деле, за время t все электроны в цилиндре длины пролетели мимо вас. Так какой ток потек? Нам нужно вычислить, сколько зарядов прошло точку А. Начнем с того, что подумаем об объеме цилиндра. . Объем цилиндра = A × где А — площадь поперечного сечения провода Если концентрация электронов в металле n на кубический метр, то: Количество электронов в цилиндре = n × A ×              Если каждый электрон несет заряд Q, то: Заряд, переносимый электронами в цилиндре = n × A × × Q              Но длина цилиндра v * t   , где v — скорость дрейфа, а t — время, которое мы использовали.              Итак: Заряд, переносимый электронами в цилиндре = n × A × v × t × Q Это количество заряда, которое проходит через точку A за время t. Чтобы найти ток, который это представляет, нам нужно найти скорость, с которой протекал заряд. Итак, делим на время t. Ток = заряд / время = n × A × v × t × Q / t    =   n A v Q Таким образом, электрический ток I, протекающий по проводу, равен где n — количество электронов на кубический метр А — площадь поперечного сечения провода v — дрейфовая скорость электронов Q — заряд электрона

Удельное сопротивление и плотность заряда Материал с большим количеством свободных электронов (высокое значение n) может легче проводить ток, чем материал с меньшей плотностью заряда. Чтобы нести заданный ток, электронам не нужно двигаться очень быстро, потому что их очень много, чтобы нести заряд. Это означает, что они редко сталкиваются с атомами или примесями в металле, и поэтому он является хорошим проводником. Полупроводники — это материалы с небольшим количеством свободных электронов — возможно, одной миллионной концентрации меди. Таким образом, свободные электроны в полупроводниках должны иметь гораздо более высокие скорости дрейфа, чтобы нести такой же ток. Их скорость должна компенсировать меньшее количество движущегося заряда. Поэтому они гораздо чаще сталкиваются с атомами. Удельное сопротивление полупроводника обычно в миллион раз больше, чем у меди. С какой скоростью дрейфуют электроны? Мы можем получить представление о том, насколько велика скорость дрейфа, взяв некоторые типичные значения тока и размеров проволоки. alexxlab Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Рубрики Прост Радио Разное Своими руками Советы Схем Схемы Транзист Транзисторы Электрон Электроника