Curentul electric in metale - studopediya

Curentul electric din metale - este deplasarea ordonată a electronilor într-un câmp electric. Experimentele arată că, atunci când un curent curge prin conductorul metalic de transfer de masă nu se produce, prin urmare, ionii metalici nu sunt implicate în transferul de sarcină electrică.

Cea mai convingătoare natura electronică dovada curentului în metale a fost obținută în experimente cu inerția electronilor. Ideea acestor experimente și primele rezultate calitative aparțin fizicienilor români LI Mandelstam și N. D. Papaleksi (1913). In 1916, americanul fizician R. Tolman și fizician scoțian B. Stewart îmbunătățit metodologia acestor experimente și efectuate măsurători cantitative, este demonstrat în mod concludent că curentul electric în conductorul metalic cauzată de mișcarea electronilor.

Experiența de conducere Tolman și Stewart este prezentat în Fig. 4.12.1. Bobina cu mai multe spire de sârmă subțire a fost pus în mișcare de rotație rapidă în jurul axei sale. Capetele bobinei prin intermediul unor cabluri flexibile au fost atașate la un galvanometru sensibil balistică G. reel brusc inhibat derulată și curent de scurtcircuit apărut din cauza inerției purtătorilor de sarcină. Încărcătura totală care curge prin circuit este măsurată prin drojdia acului galvanometrului.

Figura 4.12.1. Experiența de conducere Tolman și Stewart.

În timpul frânării bobinei rotative pe fiecare purtător de sarcină acționează e forță care acționează ca o forță externă retardare. că este, o origine de putere neelectrificată. forța sided pe unitate de sarcină, este prin definiție un domeniu de tensiune Est forțelor externe:

În consecință, în lanțul de o forță electromotoare de frânare atunci când bobina. egal

Concentrația de n atomi din metale este la 28 octombrie -10 29 -3 m.

Pe baza acestei formule pentru secțiunea de sârmă de metal de 1 mm, 2, prin care un curent de 10 A curge dă valoarea medie a vitezei a mișcării ordonate a electronilor într-un 0.6-6 mm / c. Astfel, viteza medie a mișcării ordonate a electronilor în conductorilor metalici este mult mai mică decât viteza medie a mișcării termice din Fig. 4.12.3 da o idee despre natura unui electron liber într-o rețea cristalină.

Figura 4.12.3. Mișcarea electronilor liberi în rețeaua cristalină: a - mișcare aleatorie a electronilor într-un grilaj metalic; b - derivă mișcare haotică cauzată de un câmp electric. Amploarea driftului sunt mult exagerate.

Viteză mică derivă contrazice faptul experimental că actuală în link-ul de curent continuu este stabilit aproape instantaneu. Scurt circuit determină propagarea câmpului electric la o viteză de c = 3 x 10 8 m / s. După un timp de ordinul l / a (l - lungimea catenei) de-a lungul lanțului de distribuție al unui câmp electric staționar și începe o mișcare ordonată a electronilor.

În teoria clasică de electroni de metale, se presupune că mișcarea electronilor se supune legilor mecanicii newtoniene. În această teorie, neglijând interacțiunea dintre electroni și interacțiunea acestora cu ionii pozitivi pentru a reduce numai coliziuni. Se presupune, de asemenea, că pentru fiecare coliziune a grilajului de electroni transmite toată energia acumulată în domeniul electric și, prin urmare, după impactul pe care îl începe de mișcare de la o rată de drift la zero.

În ciuda faptului că toate aceste ipoteze sunt foarte aproximative, teoria clasică de electroni explică calitativ legile curentului electric în conductori metalici.

legea lui Ohm. In intervalul dintre coliziuni pe electron o forță egală în mărime eE, astfel încât dobândește accelerare Prin urmare, sfârșitul căii libere a vitezei de drift a electronilor este

unde # 964; - calea liberă, care este de a simplifica calculele se presupune aceeași pentru toți electronii. Valoarea medie a vitezei de drift egală cu jumătate din valoarea maximă:

Luați în considerare lungimea conductorului l și secțiunea transversală S cu n densitate de electroni. Curentul electric în conductorul poate fi scris ca:

Acest raport exprimă Joule.

Astfel, teoria clasică de electroni explică existența rezistenței electrice a metalelor, legea lui Ohm și Joule. Cu toate acestea, o serie de probleme clasice teoriei electronice conduce la concluzii care sunt în contradicție cu experiența.

Această teorie nu poate, de exemplu, explica de ce capacitatea termică molară de metale, precum și căldura molară de cristale dielectrice este 3R, unde R - constanta universală a gazelor (legea Dulong și Petit). Prezența electroni liberi la metalul afectează magnitudinea capacității calorice.

Teoria clasică de electroni poate explica, de asemenea, dependența de temperatură a rezistenței metalelor. Teoria dă în timp ce dependența obținută experimental # 961;

T. Cu toate acestea, exemplul cel mai izbitor diferența dintre teorie și experiment este supraconductibilitate.

Conform teoriei clasice de electroni, rezistența metalului specific ar trebui să scadă cu răcire monoton, în timp ce restul de capăt la toate temperaturile. O astfel de dependență este într-adevăr observată experimental la temperaturi relativ ridicate. La temperaturi mai mici de o rezistivitate câteva grade Kelvin a multor metale nu mai depinde de temperatura și atinge o anumită valoare limită. Cu toate acestea, cel mai mare interes este fenomenul uimitor de supraconductibilitate, descoperit de fizicianul danez H. Kamerlingh Onnes în 1911. La o anumită temperatură Tcr. diferite pentru substanțe diferite, rezistivitatea scade brusc la zero (Fig. 4.12.4). Temperatura critică la mercurul este de 4,1 K, 1,2 K din aluminiu, staniu, la 3,7 K. Supraconductibilitatea se observă nu numai în celulele, ci, de asemenea, mulți compuși chimici și aliaje. De exemplu, compusul niobiu cu staniu (Ni3 Sn) are o temperatură critică de 18 K. Unele substanțe care trec la temperaturi scăzute în starea supraconductoare, nu sunt conductori la temperaturi obișnuite. În același timp, acești conductori „bune“, cum ar fi cupru și argint, nu devine superconductibile la temperaturi scăzute.

Figura 4.12.4. Dependența rezistivității # 961; temperatura absolută T la temperatură joasă: a - metalice normale; b - supraconductor.

Substanțele în stare supraconductoare au proprietăți excepționale. Aproape cel mai important dintre ele este abilitatea de mult timp (mai mulți ani), pentru a sprijini un curent electric, fără amortizare, excitat într-un circuit supraconductor.

Teoria clasică de electroni nu poate explica fenomenul de supraconductibilitate. Mecanismul de această explicație fenomen a fost dat doar 60 de ani de la descoperirea sa pe baza conceptelor cuantice-mecanice.

Interesul stiintific superconductivitatea a crescut odată cu descoperirea de noi materiale cu temperaturi mai ridicate critice. Un pas important în această direcție a avut loc în 1986, când sa descoperit că un compus ceramic compozit Tcr = 35 K. Pentru următoarea 1987, fizicienii au reușit să creeze un nou ceramic având o temperatură critică de 98 K, depășind temperatura azotului lichid (77 K). Fenomenul materialului de tranziție în starea supraconductoare la temperaturi mai mari decât temperatura de fierbere a azotului lichid, a fost numit de temperatură ridicată superconductivitatea. In 1988, a fost creat elemente compuse pe bază de ceramică Tl-Ca-Ba-Cu-O având o temperatură critică de 125 K.

În prezent, o muncă intensă pe căutarea de noi materiale cu valori chiar mai mari TCR-ului. Oamenii de știință speră să primească o substanță într-o stare supraconductori la temperatura camerei. Dacă se întâmplă acest lucru, va fi o adevărată revoluție în domeniul științei, tehnologiei și, în general, în viața oamenilor.

Trebuie remarcat faptul că până în prezent mecanismul de înaltă temperatură superconductor materiale ceramice nu este complet înțeles.