Найкращою провідністю серед різних матеріалів володіють метали. Електричний струм в них виникає внаслідок існування великої кількості вільних носіїв зарядів. Саме їх спрямований рух призводить до зміни потенціалу в точках тіла. При цьому втрати при передачі зарядів визначаються не тільки властивостями металу, але і навколишнім середовищем.
Загальні відомості
Одним з класів конструкційних матеріалів є метали. Їх всіх об’єднує будова і схожі фізичні і хімічні властивості. До них відносяться 96 елементів із зазначених у періодичній таблиці. Розташовуються вони на початку періодів. До них належать s-елементи першої і другої груп, а також германій, олово, свинець, сурма, вісмут d – і f – елементи.
Велика частина металів існує у вигляді різних сполук або руд. До відмінних властивостей цих речовин відносять:
- відбиття світла;
- пластичність;
- високу густину, теплопровідність, температуру плавлення;
- участь в реакціях у вигляді відновників;
- відмінну електропровідність.
Будова твердих тіл визначається кристалічною решіткою. В її основі лежить атом. Він, своєю чергою, складається з позитивно зарядженого протона і нейтрона. Навколо атома по орбіталі обертається електрон. Це негативно заряджена частинка. Слід зазначити, що знак зарядів присвоєно умовно для зручності розуміння процесів, що відбуваються в тілах.
Ядра в металах розташовуються в строго певних місцях. За своїм виглядом кристалічна решітка нагадує Геометричні фігури. Між двома атомами відстань становить близько десяти ангстрем. Місце між позитивно зарядженими частинками заповнене вільними негативними носіями зарядів. Їх сукупність утворює так зване електронне хмара (газ).
У звичайному стані атоми знаходяться в постійному тепловому коливанні. Вільні електрони безладно рухаються, не змінюючи енергетичний стан тіла. Сумарний заряд, що переноситься ними, кількісно дорівнює значенню, що володіє позитивними іонами. В такому стані метал нейтральний.
Виходить, що з одного боку частинки з однаковим знаком відштовхуються один від одного, а з іншого — притягуються до протилежних. Тому можливе лише тільки теплове коливання, обумовлене зміною енергії частинок за рахунок тепла.
Сам по собі електричний струм в твердих тілах виникнути не може.
Для того щоб створити впорядкований рух носіїв зарядів, потрібно докласти зовнішній вплив. Це може бути нагрівання, деформація або електричне поле. Варто відзначити, що найкращою провідністю володіє: алюміній, срібло, мідь.
Потенційний бар’єр і швидкість
При вивченні природи електричного струму в металах в 8 класі учням дають визначення потенційного бар’єру. Їм називають область в просторі, що лежить між іншими областями з різною потенційною енергією. Характеризується бар’єром, що визначає яку необхідно затратити роботу на подолання меж області. Це пояснює, чому електрони не можуть залишити поверхню металу, наприклад, при його контакті з повітрям. Адже останній є діелектриком, а значить робота виходу буде складати високе значення.
Для того, щоб виник електричний струм, потрібно створити поле, що направляє рух електронів. Швидкість носіїв зарядів при цьому буде залежати від електрорушійної сили. Так, радянським вченим Байдасовим було встановлено, що при різниці потенціалів в один вольт на сантиметр швидкість переміщення електронів в металі становить близько десяти сантиметрів в секунду. Наприклад, відстань в металевому провіднику довжиною в п’ять кілометрів електрон подолає при напрузі в сто вольтів за вісім років.
Якщо ж немає ніяких сторонніх сил, то згідно з теорією Друде-Лоренца, переміщення електронів можна порівняти з одноатомним ідеальним газом. Це дозволяє оцінити тепловий рух частинок, використовуючи молекулярно-кінетичну теорію. При кімнатній температурі розрахункова швидкість показала значення: V = 105 м/с.
Зонна модель провідності дозволяє пояснити природу струму в металах. При досягненні великим числом частинок одного місця в кристалічній структурі відбувається утворення хімічних зв’язків за рахунок електронів. Причому розташовуватися вони можуть на зовнішніх, валентних і електронних оболонках. В результаті відбувається розщеплення енергетичного рівня і з’являється зона дозволених переходів. Встановлено, що відстань між зонами в кілька разів менше енергії, що з’явилася при тепловому русі.
Якщо метал виявиться під дією електричного поля, то негативно заряджені частинки будуть прагнути перейти в точки з меншим енергетичним значенням. Але переміщення призводить до зростання енергії електронів. Перехід на вищий енергетичний рівень можливий в одному випадку – якщо він вільний. У металах є досить багато таких рівнів, тому вони і забезпечують хорошу провідність електричного струму.
Дослід Мандельштама і Папалексі
У класичній теорії припускають, що переміщення частинок відбувається відповідно до законів механіки. При цьому нехтують силою взаємодії між електронами. Вважають, що при зіткненні з протилежно зарядженими частинками кристалічної решітки їй передається вся енергія, раніше отримана в поле.
Два радіофізики Мандельштам і Папалексі припускали, що раз електрон має масу, то він повинен мати і інерцію. Тобто якщо взяти будь-якої метал привести його в рух, а потім різко зупинити, то має виникнути спрямований рух електронів. Дослід їх був досить оригінальний. Для його проведення вчені підготували:
- котушка;
- джерело струму;
- телефон.
Клацання, що лунав в телефонному навушнику
Коротко дослід складався з простої дії. Фізики подавали на витки струм, а потім різко зупиняли котушку. Клацання, що лунав в телефонному навушнику, дозволяв судити їм про зростання струму. Звідси вони зробили висновок як про існування маси у електрона, так і про можливість появи електроструму без участі електромагнітного поля. Крім цього, дозволив стверджувати про можливість виникнення електричного струму поза замкнутим ланцюгом.
Радянські вчені змогли якісно встановити існування явища, але кількісний вимір провести не змогли. Американець Толмен і шотландець Стюарт, зацікавившись відкритим ефектом, удосконалили експеримент і не тільки підтвердили досвідчений факт, але і змогли визначити величину питомого заряду при різкому гальмуванні.
Для своєї котушки вони використовували 500 метрів дроту. За допомогою ковзних контактів вона підключалася до гальванометра і розкручувалася уздовж своєї осі. Лінійна швидкість досягалася рівною 500 м / с.
Для розрахунку електрорушійної сили використовувалася формула:
E = (1 / e) * ∫ F * dL
де:
- F – стороння сила;
- L – довжина провідника;
- e – заряд частинки.
Після інтегрування, використання виразу, що визначає силу інерції і закону Ома кінцева розрахункова формула прийняла вигляд:
q = (m * L * r/e * R) * dw
де:
- w — кутова швидкість обертання.
Використовуваний балістичний гальванометр дозволив фізикам заміряти відношення e / M. досліди показали, що значення питомого заряду виявилося рівним 1,7 * 1011 Кл/кг. Це довело, що інерція викликає повідомлення частинок. При цьому в перенесенні зарядів беруть участь електрони.
Залежність від температури
Фізична величина, що показує яку кількість заряду може пройти через певну поверхню за встановлений час, визначається силою струму. Називатися цей параметр так став через те, що фактично він описує вплив, який чиниться на заряджену частинку. Тому можна використовувати для розрахунку електричного струму в металах формулу:
I = Δq/Δt
В якості одиниці узятий був ампер.
Але як показали експерименти значення сили струму сильно залежить від температури металу. Для того, щоб уявляти, як буде створюватися електрику в металі і чому воно залежить від температури, потрібно знати від чого залежить опір провідника. Їм називається величина, зворотна провідності:
R = (p * l)/S
Сила ж струму — це значення зворотне опору. Так ось, в металах при нагріванні R збільшується, значить, значення струму зменшується.
Пояснити це можна наступним чином. Електрострум утворюється за рахунок вільних електронів. Сила струму залежить від перетину матеріалу і середньої швидкості руху:
I = e * n * v * S
Зі збільшенням температури відбувається зростання амплітудних коливань іонів в кристалічній решітці. Чим воно більше, тим вільним електронам важче проникнути крізь атоми. В результаті швидкість руху зменшується, а значить знижується і сила струму.
Залежність опору від температури можна описати формулою:
(R — R0) / R0 = a * Δ t
де
- Δt — різниця між сталою і початковою температурою (t = 0°C).
Оскільки при нагріванні лінійні розміри металевого провідника практично не змінюються, то при розрахунках їх не враховують, беручи до уваги тільки питомий опір. Ефект залежності струму від температури знайшов своє застосування при виготовленні датчиків, термометрів.
У 1911 році Каммерлінг відкрив явище, після назване надпровідністю. Він виявив, що при заморожуванні в металах опір повністю зникає. У 1986 році було виявлено, що при 100 градусах за Кельвіном виникає високотемпературна надпровідність. Механізми виникнення цих явищ досі точно вченим невідомі.
