Что представляет собой электрический ток в металлах
Содержание
В повседневной практике термин «электричество» относится к потоку движущихся заряженных частиц. Они перемещаются по проводам, соединяющим части электроцепи. Поток электричества называется током. Уже довольно давно ученые выяснили, что наилучшими его проводниками являются металлы. Хотя среди них есть и такие, которые не очень хорошо справляются с подобной задачей. Речь идет о полупроводниках, к которым относятся, например, селен и германий.
Особенности прохождения электрического тока
В ходе исследований ученым удалось понять, какие частицы являются носителями электрических зарядов в металле. Физика доказывает, что электрический ток в металлах — это однонаправленное упорядоченное движение электронов. Создается оно при наличии трёх основных компонентов:
- Устройства, используемого для выработки электроэнергии. Это могут быть батарейки, аккумулятор или обычная штепсельная вилка.
- Проводника, позволяющего осуществлять подачу электроэнергии к нужному потребителю.
- Непрерывной замкнутой петли (провода), которая идёт от одной клеммы источника через различные приборы и обратно к другой клемме источника.
Когда клеммы любого источника соединить, например, с лампочкой, она светится. Это происходит потому, что мы обеспечили путь для протекания тока, т. е., создали электрическую цепь. На рисунке слева один провод от источника подключён к лампочке фонарика, а другой провод — нет: тест выполнен для разомкнутой цепи. На рисунке справа оба провода от источника подключены к лампочке, в данном случае тест проведен для условия, что электроцепь замкнута.
Такой простой эксперимент доказывает, что протекание тока возможно лишь тогда, когда для него создают непрерывный путь, в данном случае от одной клеммы источника через лампу к другой клемме.
Электрическим током в металлах является упорядоченное движение свободных электронов, перемещающихся только в определённом направлении. Если попробовать поменять местами проводники цепи, показанной на рисунке выше, то лампочка не засветится. Следовательно, нужно не просто соединить клеммы с источником, но и выполнить это правильно, соблюдая направление от положительной клеммы электрического элемента к отрицательной клемме.
Как металлы проводят ток
Металлы демонстрируют вид молекулярной связи, называемый металлической связью. Природа проводимости обусловлена наличием электронов, слабо связанных с атомом, вследствие чего они имеют возможность свободно двигаться в слое металла. Следовательно, направленное движение электрозарядов отсутствует, а это означает, что не и электрического тока.
Иное дело, когда к противоположным концам проводника приложена хоть какая-нибудь разность потенциалов. Тогда носители тока в металлах начинают перемещаться однонаправлено. Это происходит, если проводник подключен к любому ИТ. С движением электрозарядов связано и такое явление, как сверхпроводимость — способность материалов проводить ток практически с нулевым сопротивлением.
Природа электропроводимости
Электрическая проводимость — это результат движения частиц с электрическим зарядом. В структуре металлических проводников присутствуют валентные электроны, которые скапливаются на внешней орбите атома и приобретают возможность свободно передвигаться. Благодаря им, металлы обладают способностью проводить ток.
Теория о проводимости металлов была создана немецким физиком П. Друде в 1900 году на основе гипотезы о наличии свободных электрических зарядов в металлических проводниках. Впоследствии развитием данной теории занялся голландский ученый Х. Лоренц. В результате ее стали называть классической электронной теорией. Она позволила понять, что поведение электронов похоже на поведение электронного газа, идеального по своему состоянию. Он способен заполнить пространство вокруг ионов, являющихся основой кристаллической решетки металла.
Наибольшая электропроводность наблюдается у тех металлов, в структуре которых есть лишь один валентный электрон. Перемещаясь, он соударяется с другими частицами, что способствует возникновению сильной реакции отталкивания. Особенно эффективно подобный процесс происходит в проводниках из меди, серебра и золота, которые отличаются высокой электропроводностью.
Не всегда свободные заряженные частицы в металлах являются показателем хорошей электропроводимости. Например, те металлы, которые тускнеют или окисляются (алюминий и его сплавы), имеют свои ограничения для использования в качестве проводников. Особняком здесь стоит ртуть. Являясь жидкостью, она, тем не менее, проводит ток. Но ртуть не относится к электролитам. Такие вещества при растворении в воде распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы. Ртуть не обладает свойством распадаться на катионы и анионы. Поэтому при прохождении электрического тока она не подвергается разложению и не образует новое вещество. Протекание тока через ртуть связано с такими частицами, как электроны, а не ионы.
Факторы, влияющие на электропроводность металлов:
- Температура.Изменение температуры серебра или любого другого проводника изменяет его проводимость. Как правило, повышение температуры увеличивает уровень внутренней энергии атомов и снижает проводимость при одновременном увеличении удельного сопротивления. Зависимость линейна, но нарушается при низких температурах.
- Примеси. Наличие примесей в проводнике снижает его проводимость. Например, серебро 925-й пробы (92.5 % — серебро, остальное — медь) не является таким хорошим проводником, как чистое серебро. Окисленное серебро также не считается хорошим проводником. Примеси препятствуют устойчивому потоку электронов.
- Кристаллическая структура. Если в микроструктуре металла присутствуют разные фазы, проводимость на границе раздела несколько снижается, причём может изменяться от одной структуры к другой. Способ обработки материала также способен повлиять на направленное движение электронов.
- Электромагнитные поля.Когда через проводники проходит электричество, оно генерирует электромагнитные поля. При этом создаётся магнитное поле, перпендикулярное электрическому полю. Внешние электромагнитные поля способствуют возникновению магнитного сопротивления, которое может замедлять течение тока.
- Частота тока. Количество циклов колебаний переменного электрического тока в секунду равно его частоте в герцах. Если эта частота выше определенного уровня, тогда может возникнуть так называемый скин-эффект, когда ток течет вокруг проводника, а не через него. При отсутствии колебаний нет и частоты, поэтому скин-эффект при постоянном токе не возникает.
Механизм прохождения тока в металлах
Этот механизм во многом объясняется понятием скорости дрейфа, которая достигается электроном в результате существования электрического поля. Предполагается, что заряженными частицами управляет именно это поле, расположенное вдоль некоторой плоскости, поэтому правильным будет использование понятия «скорость осевого дрейфа».
Поток тока обусловлен преимущественно наличием свободных электронов. При отсутствии какого-либо внешнего электродвижущего эффекта (он создавался, например, батареей или аккумулятором) свободные электроны беспорядочно перемещаются по металлу из одной точки в другую, давая нулевой ток.
При подключении к батарее (благодаря созданному полю) свободные электроны ускоряются, приобретая необходимые скорость и энергию. Однако этот переход не является гладким, поскольку электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки. В результате чего ионы получают энергию. Поскольку известно, что температура связана с энергией колебаний этих частиц, такие столкновения приводят к повышению температуры металла. Потеря энергии электронами при столкновении и ускорение их электрическим полем вызывают дрейф электронов в определённом направлении.
Хотя фактическое движение электронов неустойчиво, тест свидетельствует, что общий эффект заключается именно в дрейфе электронов. Следовательно, движение электронов в поле является комбинацией перемещений вследствие их столкновений между собой, а дрейфовая скорость обусловлена действием электрического поля.
Дрейфовую скорость электрона можно найти по формуле:
Средняя скорость дрейфа — это половина максимального значения, то есть
Значение средней скорости дрейфа находится в диапазоне 0.6–6 мм/секунду.
Если есть проводник сечением S и длиной l, тогда формула для нахождения тока будет иметь такой вид:
Данная формула — это выражение закона Ома для металлического проводника.
Сферы использования
В быту и технике наблюдается широкое применение электрического тока в металлах. Это связано с его тремя основными действиями:
- Тепловым. Проводник при прохождении тока нагревается. Самые простые примеры применения данного действия — бытовые обогреватели и плиты.
- Химическим. При прохождении тока по проводнику химический состав последнего может изменяться. Это явление называют электролизом. Его особенности позволяют получать некоторые металлы в чистом виде, например, алюминий.
- Магнитным. Магнитная стрелка вблизи проводника, по которому протекает ток, изменяет свое положение.
Электропроводность влияет на эффективность процессов термообработки, на КПД большинства электрических цепей, на величину тепловых потерь при передаче больших мощностей на значительные расстояния. Этот параметр оказывает воздействие даже на далёкие от электричества процессы, например, ферментацию молочнокислых продуктов или различные медицинские исследования.
Загрузка...
