Электрический ток в металлах — Технарь
Металлы в твердом состоянии, как известно, имеют кристаллическое строение. Частицы в кристаллах расположены в строго определенном порядке, образуя пространственную (кристаллическую) решетку. От формы кристаллической решетки зависит вид и форма кристалла. На рисунке 238 изображена кристаллическая решетка в форме куба. В узлах кристаллической решетки металла расположены атомы, обладающие положительным зарядом, — ионы. На рисунке такие атомы изображены выщербленными кружками. В пространстве же между атомами движутся свободные, т. е. не связанные с ядрами своих атомов, электроны (на рисунке 238 электроны изображены маленькими кружочками).
Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решетки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален. Свободные электроны в нем движутся беспорядочно. Беспорядочное движение электронов не создает тока в металле.
Но если в металле создать электрическое поле, то все свободные электроны начнут двигаться в направлении действия электрических сил, возникнет электрический ток. Беспорядочное движение электронов при этом, конечно, сохраняется, подобно тому, как сохраняется беспорядочное движение в стайке мошкары, когда под действием ветра вся стайка перемещается в одном направлении.
Итак, электрический тон в металлах представляет собой упорядоченное движение электронов.
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 начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника электроны. 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 подъеме воды в водонапорную башню очень быстро по всей водопроводной системе распространяется давление (напор) воды. Когда мы открываем кран, то вода в нем уже находится под давлением и сразу начинает течь. Но из крана течет та вода, которая уже была в нем, а вода из башни дойдет 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 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. Почему беспорядочное движение электронов в металле не вызывает переноса электрического заряда? 3.
Что представляет собой электрический ток в металле? 4. Что нужно создать в металле, чтобы вызвать в нем упорядоченное движение электронов? 5. Какую скорость имеют в виду, когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике?
Метки: кристаллкристаллическая решёткалампыполепроводниксвободные атомытвердое состояниетокэлектрический сигналэлектрический токЭлектрический ток в металлахЭлектрическое полеэлектричествоэлектроны
Электрический ток в металлах | 8 класс
Содержание
Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. Этими частицами могут являться не только свободные электроны, но и ионы.
Металлы являются отличными проводниками. Какие частицы приходят в движение под действием электрического поля в них: электроны или ионы?
На данном уроке вы узнаете ответ на этот вопрос. Мы вспомним некоторые факты о строении металлов и рассмотрим процессы, которые будут происходить в этих веществах при протекании тока.
Строение металлов
Находясь в твердом агрегатном состоянии, металлы обладают кристаллической решеткой. Это упорядоченная структура: каждый атом находится в строго определенном месте.
Но какие частицы тогда будут обеспечивать протекание электрического тока? Дело в тем, что в узлах кристаллической решетки находятся положительные ионы (рисунок 1). В пространстве меду этими ионами беспрестанно двигаются свободные электроны.
Рисунок 1. Кристаллическая решетка металлаВспомним немного о том, что же представляют собой такие частицы, как ионы. В обычных условиях атомы электрически нейтральны. Электроны несут отрицательный заряд, а протоны, находящиеся в ядре — положительный. Заряд этот по модулю одинаков. Таким образом, в электрически нейтральном атоме количество электронов будет равно количеству протонов в ядре.
Если атом теряет хоть один электрон, он теряет свою электронную стабильность. Теперь суммарный положительный заряд всех протонов в ядре по абсолютному значению больше отрицательного заряда электронов.
Такой атом называют положительным ионом.
В таком строении кроется ответ на вопрос: “Почему в обычных условиях металл электрически нейтрален?”.
Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решетки.
Обратите внимание на тот факт, что не все электроны в металлах являются свободными. Часть из них остается связанными с ядрами атомов, а другая их часть — беспорядочно движется между этими атомами.
Эти электроны изначально находятся на самых удаленных от ядра орбитах. Они слабо связаны с ядром. Поэтому они могут довольно легко переходить от одного атома к другому, повторяя этот процесс множество раз. Именно это движение мы и называем беспорядочным движением свободных электронов.
{"questions":[{"content":"В металле[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["часть электронов связана с ядрами, а часть является свободными","все электроны свободные","нет свободных электронов"],"answer":[0]}}}]}Ток в металлах
Создадим в металле электрическое поле с помощью любого источника тока.
Положительные ионы останутся в узлах кристаллической решетки. В движение придут именно свободные электроны под действием электрических сил. Их движение станет направленным (рисунок 2).
При этом сохранится и беспорядочность этого движения. Как это можно представить? Вообразите себе стайку мошкары, где каждое насекомое беспорядочно двигается. Если подует ветер, то эта стайка начнет перемещаться в одном направлении, при этом беспорядочное движение внутри этой стайки сохранится. На это и будет похоже движение электронов под действием электрических сил.
Теперь мы можем определить природу электрического тока в металлах и дать ему определение.
Электрический ток в металлах — это упорядоченное движение свободных электронов.
{"questions":[{"content":"Электрической ток в металлах представляет собой[[choice-5]]","widgets":{"choice-5":{"type":"choice","options":["направленное движение электронов","направление движение положительных ионов","направленно движение отрицательных ионов","беспорядочное движение электронов"],"answer":[0]}}}]}Доказательные опыты
Сделанные нами выводы построены не просто на рассуждениях, но и множество раз доказаны эмпирически.
Российские ученые Леонид Исаакович Мандельштам (рисунок 3) и Николай Дмитриевич Папалекси (рисунок 4) провели ряд интересных опытов. Эти опыты позже были подтверждены американскими физиками Бальфуром Стюартом и Робертом Толменом.
Суть опытов заключалась в следующем. Уже известно, что в металле есть какие-то свободные заряды, и они обладают массой. Тогда они должны испытывать на себе инерцию.
Для проверки этого предположения металлический проводник нужно было привести в движение, а затем резко остановить. Для удобства использовали вращательно движение, а не поступательное.
Металлическую проволоку наматывали на деревянный каркас и раскручивали (рисунок 5).
После резкой остановки с помощью гальванометра фиксировали возникновение тока.
Было определено, что именно электроны вылетали из проводника. Установили это, определяя отношение заряда к массе его носителя. Эти данные для электрона у ученых уже имелись.
Скорость распространения электрического поля и тока в металлах
После создания электрического поля свободные электроны приходят в движение. Скорость их движения совсем небольшая. В среднем она составляет несколько миллиметров в секунду.
Но как тогда после щелчка выключателем лампа в комнате загорается мгновенно? Дело обстоит в следующем.
Именно само электрическое поле распространяется в проводнике с огромной скоростью. Она близка к скорости света в вакууме ($c = 300 \space 000 \frac{км}{с}$). Распространяется поле по всей длине проводника.
Соответственно, в движение приходят одновременно все электроны в проводнике. И те, что ближе к выключателю, и те, что ближе к электроприбору.
Например, пошлем электрический сигнал из Владивостока в Москву. Расстояние между этими городами составляет около 8000 км. В Москве сигнал будет зафиксирован уже через 0,03 с. Это не означает, что электроны от Владивостока проделали весь этот путь за указанное время и прибыли в Москву. Нет, это электрическое поле распространилось по проводам с невероятной скоростью и привело в движение самые ближние к приемнику в Москве электроны в движение, которое и было зафиксировано.
Поэтому, когда говорят о скорости распространения тока в проводнике, то имеется в виду скорость распространения электрического поля по всей длине проводника.
{"questions":[{"content":"Под действием электрического поля электроны в металлическом проводнике движутся со скоростью[[choice-10]]","widgets":{"choice-10":{"type":"choice","options":["несколько миллиметров в секунду","несколько метров в секуду","света","большей, чем скорость света"],"explanations":["","","Со скоростью света распространяется по проводнику электрическое поле.
{11}$ раз скорости движения электронов под действием этого же электрического поля.{"questions":[{"content":"Дрейфовая скорость электронов - это скорость, с которой они двигаются[[choice-19]]","widgets":{"choice-19":{"type":"choice","options":["под действием электрического поля","хаотично","при повышении температуры","при электризации тел"],"answer":[0]}}}]} Электрический ток в металлах
Изучение физики
и химия
легко и свободно - Наука для начальной школы, средней школы и
средняя школа
Бесплатная химия онлайн
урок для начальной школы, средней школы и старшей школы.
Металлы
Электрический ток в металлах
1)
Электрические заряды
Есть
два вида электрических зарядов:
- Положительные электрические заряды (+)
- Отрицательные электрические заряды (-)
Эти
электрические заряды сравнимы с северным и южным полюсами магнитов:
одинаковые полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются.
Мы можем видеть подобное явление с электрическими зарядами:
- Электрический
заряды одного знака отталкиваются (два отрицательных заряда отталкиваются друг от друга или
два положительных заряда отталкиваются друг от друга).
- Электрические заряды противоположных знаков притягиваются (положительный заряд и
отрицательный заряд притягивается).
2)
Электрический заряд электронов
Электроны
электрически заряженные частицы:
Каждый электрон несет отрицательный элементарный заряд, обозначаемый - е.
Термин "элементарный" означает, что нет меньшего электрического заряда.
3) Электрический ток в металлах
Если
металл является частью электрической цепи, включая генератор,
на свободные электроны влияют положительный и отрицательный полюса
последний:
Из-за своего отрицательного заряда электроны отталкиваются
отрицательный полюс генератора и притягиваются к его положительному
Терминал.
Свободный
электроны приходят в движение, и это движение составляет электрический
Текущий.
Свободные электроны перемещаются от отрицательного полюса к положительному:
противоположное обычному направлению электрического тока
{11}$ раз скорости движения электронов под действием этого же электрического поля.
| ||||||
| | ||||||
©2021 Physics and chemistry
5.
2 Модель проводимости в металлах – введение в электричество, магнетизм и электрические цепиЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ
К концу этого раздела вы сможете:
- Определение скорости дрейфа зарядов, движущихся через металл
- Определить плотность векторного тока
- Описать работу лампы накаливания
Когда электроны движутся по проводнику, они не движутся с постоянной скоростью, то есть электроны не движутся по прямой линии с постоянной скоростью. Скорее, они взаимодействуют и сталкиваются с атомами и другими свободными электронами в проводнике. Таким образом, электроны движутся зигзагообразно и дрейфуют по проводу. Следует также отметить, что, хотя удобно обсуждать направление тока, ток является скалярной величиной. Говоря о скорости зарядов в токе, правильнее говорить о плотности тока. Мы вернемся к этой идее в конце этого раздела.
Скорость дрейфа
Электрические сигналы распространяются очень быстро. Телефонные разговоры, переносимые токами по проводам, проходят большие расстояния без заметных задержек.
Высокая скорость электрических сигналов обусловлена тем, что сила между зарядами быстро действует на расстоянии. Таким образом, когда свободный заряд вдавливается в провод, как на рисунке 5.2.1, входящий заряд толкает другие заряды впереди себя из-за силы отталкивания между одноименными зарядами. Эти движущиеся заряды отталкивают заряды дальше по линии. Плотность заряда в системе нельзя легко увеличить, поэтому сигнал передается быстро. Возникающая в результате ударная волна электрического тока движется по системе почти со скоростью света.
(рис. 5.2.1)
Рисунок 5.2.1 Когда заряженные частицы попадают в этот объем проводника, такое же количество быстро вынуждено покинуть его. Отталкивание между одноименными зарядами затрудняет увеличение количества зарядов в объеме. Таким образом, как только входит один заряд, другой почти сразу уходит, быстро перенося сигнал вперед. Хорошие проводники имеют большое количество свободных зарядов. В металлах свободными зарядами являются свободные электроны. (На самом деле, хорошие электрические проводники часто также являются хорошими проводниками тепла, поскольку большое количество свободных электронов может переносить как тепловую энергию, так и электрический ток.) На рис. 5.2.2 показано, как свободные электроны движутся по обычному проводнику. Расстояние, которое может пройти отдельный электрон между столкновениями с атомами или другими электронами, весьма мало.
(рис. 5.2.2)
Рисунок 5.2.2 Свободные электроны, движущиеся в проводнике, часто сталкиваются с другими электронами и другими частицами. Показан типичный путь одного электрона. Средняя скорость свободных зарядов называется скоростью дрейфа, а для электронов она направлена в направлении, противоположном электрическому полю. Столкновения обычно передают энергию проводнику, что требует постоянной подачи энергии для поддержания постоянного тока.
Столкновения свободных электронов передают энергию атомам проводника. Электрическое поле выполняет работу по перемещению электронов на расстояние, но эта работа не увеличивает кинетическую энергию (или скорость) электронов. Работа передается атомам проводника, часто повышая температуру. Таким образом, для поддержания протекания тока требуется непрерывная потребляемая мощность. (Исключением являются сверхпроводники, по причинам, которые мы рассмотрим в одной из последующих глав. Сверхпроводники могут иметь постоянный ток без непрерывного подвода энергии — большая экономия энергии.) Для проводника, который не является сверхпроводником, подвод энергии может быть ограничен. полезно, как в нити накала лампы накаливания (рис. 5.2.3). Подача энергии необходима для повышения температуры вольфрамовой нити, чтобы нить накала светилась.
(рис. 5.2.3)
Рисунок 5.2.3 Лампа накаливания имеет простую конструкцию. Вольфрамовая нить помещена в частично вакуумированную стеклянную оболочку.
Один конец нити прикреплен к винтовому основанию, изготовленному из проводящего материала. Второй конец нити прикреплен ко второму контакту в основании колбы. Два контакта разделены изоляционным материалом. Через нить течет ток, и температура нити становится достаточно большой, чтобы заставить нить светиться и излучать свет. Однако эти лампы не очень энергоэффективны, о чем свидетельствует тепло, исходящее от лампы. В 2012 году Соединенные Штаты, наряду со многими другими странами, начали поэтапный отказ от ламп накаливания в пользу более энергоэффективных ламп, таких как светодиодные (LED) лампы и компактные люминесцентные лампы (CFL) (кредитное право : модификация работы Сержа Сена). Мы можем получить выражение для взаимосвязи между током и скоростью дрейфа, рассмотрев количество свободных зарядов в сегменте провода, как показано на рисунке 5.2.4. Количество свободных зарядов в единице объема или числовая плотность свободных зарядов. , дается символ где . Значение зависит от материала.
Заштрихованный сегмент имеет объем , поэтому количество бесплатных зарядов в объеме равно . Таким образом, сбор в этом сегменте где – сумма сбора для каждого оператора связи. (Величина заряда электронов равна .) Ток — это заряд, перемещаемый в единицу времени; таким образом, если все первоначальные заряды выйдут из этого отрезка за время , ток равен
Перестановка терминов дает
(5.2.1)
где - скорость дрейфа, - плотность свободного заряда, - площадь поперечного сечения провода, а - ток через провод. Каждый из носителей тока имеет заряд и движется с величиной дрейфовой скорости.
(рис. 5.2.4)
Рисунок 5.2.4 Все заряды в заштрихованном объеме этой проволоки перемещаются во времени со скоростью дрейфа величиной . Обратите внимание, что простая скорость дрейфа — это еще не все. Скорость электрона иногда намного превышает скорость его дрейфа. Кроме того, не все электроны в проводнике могут двигаться свободно, а те, которые движутся, могут двигаться несколько быстрее или медленнее скорости дрейфа.
Так что же мы подразумеваем под свободными электронами?
Атомы в металлическом проводнике упакованы в виде решетчатой структуры. Некоторые электроны находятся достаточно далеко от ядер атомов, поэтому они не испытывают притяжения ядер так сильно, как внутренние электроны. Это свободные электроны. Они не связаны ни с одним атомом, а вместо этого могут свободно перемещаться среди атомов в «море» электронов. Когда прикладывается электрическое поле, эти свободные электроны ускоряются. По мере своего движения они сталкиваются с атомами решетки и другими электронами, выделяя тепловую энергию, и проводник нагревается. В изоляторе организация атомов и структура не допускают таких свободных электронов.
Как известно, электроэнергия обычно подается к оборудованию и приборам по круглым проводам из токопроводящего материала (медь, алюминий, серебро или золото), многожильным или одножильным. Диаметр провода определяет пропускную способность по току — чем больше диаметр, тем больше пропускная способность по току.
Несмотря на то, что пропускная способность по току определяется диаметром, проволока обычно не характеризуется напрямую диаметром. Вместо этого проволока обычно продается в единицах, известных как «калибр». Проволока изготавливается путем пропускания материала через круглые формы, называемые «волоконными штампами». Чтобы сделать более тонкие провода, производители протягивают провода через несколько матриц с последовательно уменьшающимся диаметром. Исторически калибр проволоки был связан с количеством процессов волочения, необходимых для производства проволоки. По этой причине чем больше калибр, тем меньше диаметр. В Соединенных Штатах для стандартизации системы был разработан Американский калибр проводов (AWG). Бытовая электропроводка обычно состоит из провода от (диаметра) до (диаметра). Устройство, используемое для измерения сечения проволоки, показано на Рисунке 5.2.5.
(рисунок 5.2.5)
Рисунок 5.2.5 Прибор для измерения сечения электрического провода. Как видите, более высокие номера калибра указывают на более тонкие провода.
ПРИМЕР 5.2.1
Расчет скорости дрейфа в общем проводе
Рассчитайте дрейфовую скорость электронов в медной проволоке диаметром (), по которой течет ток, при условии, что на один атом меди приходится один свободный электрон. (Бытовая проводка часто содержит медный провод, и максимально допустимый ток в таком проводе обычно равен .) Плотность меди равна , а атомная масса меди равна .
Стратегия
Мы можем рассчитать скорость дрейфа, используя уравнение . Ток есть и есть заряд электрона. Мы можем рассчитать площадь поперечного сечения провода, используя формулу , где - половина диаметра. Данный диаметр равен , значит есть . Нам дана плотность меди, , а атомная масса меди равна . Мы можем использовать эти две величины вместе с числом Авогадро, чтобы определить количество свободных электронов на кубический метр.
Решение
Сначала рассчитаем плотность свободных электронов в меди. На один атом меди приходится один свободный электрон.
Следовательно, число свободных электронов равно числу атомов меди, приходящихся на . Теперь мы можем найти следующим образом:
Площадь сечения провода
Перестановка для изоляции скорости дрейфа дает
Значение
Знак минус указывает на то, что отрицательные заряды движутся в направлении, противоположном обычному току. Небольшое значение скорости дрейфа (порядка ) подтверждает, что сигнал движется на порядок раз быстрее (около ), чем заряды, которые его несут.
ПРОВЕРЬТЕ ВАШЕ ПОНИМАНИЕ 5.3
В Примере 5.2.2 скорость дрейфа была рассчитана для медного провода диаметром () с током. Изменится ли скорость дрейфа для провода диаметром () с тем же током?
Плотность тока
Хотя часто удобно ставить отрицательный или положительный знак, чтобы указать общее направление движения зарядов, ток является скалярной величиной, . Часто бывает необходимо обсудить детали движения заряда вместо того, чтобы обсуждать общее движение зарядов.
В таких случаях необходимо говорить о плотности тока, векторной величине. плотность тока – это поток заряда через бесконечно малую площадь, деленный на площадь. Плотность тока должна учитывать локальную величину и направление потока заряда, которое варьируется от точки к точке. Единицей плотности тока является ампер на квадратный метр, а направление определяется как направление чистого потока положительных зарядов через площадь.
Соотношение между током и плотностью тока можно увидеть на рисунке 5.2.6. Дифференциальный ток, протекающий через площадь, определяется как
, где – угол между площадью и плотностью тока. Полный ток, проходящий через площадь, можно найти путем интегрирования по площади,
(5.2.2)
Рассмотрим величину плотности тока, которая представляет собой ток, деленный на площадь:
Таким образом, плотность тока равна . Если положительное, находится в том же направлении, что и электрическое поле .
Если отрицательное значение, находится в направлении, противоположном . В любом случае направление плотности тока совпадает с направлением электрического поля.
(рис. 5.2.6)
Рисунок 5.2.6 Плотность тока определяется как ток, проходящий через бесконечно малую площадь поперечного сечения, деленный на площадь. Направление плотности тока - это направление чистого потока положительных зарядов, а величина равна току, деленному на бесконечно малую площадь.ПРИМЕР 5.2.2
Расчет плотности тока в проводе
Ток, подаваемый на лампу с лампочкой, равен . Лампа подключена медным проводом диаметром (). Найдите величину плотности тока.
Стратегия
Плотность тока — это ток, проходящий через бесконечно малую площадь поперечного сечения, деленную на площадь. Мы можем рассчитать величину плотности тока, используя . Ток указан как . Площадь поперечного сечения можно рассчитать как .
Решение
Рассчитайте плотность тока, используя заданный ток и найденную площадь.
