Носії електричного струму в металах

Струм провідності, який існує в металах, де вільними носіями зарядів є електрони, і струм в рідинах і розплавах, відрізняються в вироблених ефекти. Зрозуміло, у них багато спільного, насамперед - це потік електрики dq / dt не дорівнює нулю, тобто в перерізі, перпендикулярному напрямку електричного струму відбувається зміна кількості заряду. Також дія електричного струму супроводжується виділенням енергії у вигляді теплового випромінювання і магнітними явищами. З відмінностей можна виділити перш за все електрохімічні перетворення в речовині, а також в більшості випадків, відсутність здатності екрануватися від зовнішніх електромагнітних полів.

Потенційна енергія поля буде перетворюватися в кінетичну енергію молекул газу. При достатній напруженості електричного поля буде відбуватися іонізація молекул газу. Електричний диполь у вигляді молекули розірветься на атоми і одному з них буде не вистачати електрона. Утворюється позитивний іон - катіон, який кинеться до катода джерела поля. Цілком можливо, що на своєму шляху він захопить вільний електрон, але якщо таких розірваних диполів стане багато, то і процес розриву молекул на атоми стане лавиноподібним. В результаті провідність газу значно покращиться, і за газ буде проходити більше електрики, сила струму буде стрімко рости.

В електричних ланцюгах струм створюється найчастіше шляхом переміщення вільних зарядів в провіднику. Електричний струм також може існувати в рідинах. де вільними носіями зарядів є іони. Такими рідинами є електроліти і розплави речовин. Струм в плазмі здійснюється як іонами, так і електронами. Крім цього можливий струм переносу. наприклад, в вакуумі. і струм в напівпровідниках.

Результатом узагальнення експериментів стало відкриття явища зворотному електронної ізомеризації, була вивчена кінетика його протікання. Ці успіхи дозволили відповісти на чергові питання, що виникли в ході розвитку теоретичної хімії: фізичний зміст правил резонансу, як протікає хімічна реакція і з'ясувати фізичний зміст металевої зв'язку. Стосовно до теорії електричного струму в металі використання цього узагальнення дозволило відповісти на ряд парадоксальних питань і запропонувати нове і, головне, несуперечливе пояснення природи електричного струму. У запропонованій нами теорії немає ніяких нових припущень. (Наявність зовнішніх протиріч передбачає існування експериментів або теорій, які сперечаються з даною теорією).

При накладенні електричного поля збільшується швидкість рухомих в напрямку поля, і зменшується в тій же мірі швидкість рухомих проти поля. Кількість електронів, що рухаються в напрямку поля і проти поля в середньому рівні між собою. Якщо електрони перебувають в металі у вигляді газу, то між ними буде відбуватися обмін кінетичної енергією, і, відповідно, створення поля всередині провідника не повинно навіть в такій малій мірі (точність розрахунків сумнівна) впливати ні на швидкість, ні на енергію електронів в провіднику.

Властивості провідника, по якому тече струм, різко відрізняються від властивостей цього ж провідника при відсутності в ньому струму. Провідник, по якому тече струм електронів, має магнітне поле і розігрівається в міру проходження струму. Як же це пояснюється в рамках запропонованої нами теорії металевої зв'язку? У запропонованій нами теорії електропровідності показано, пов'язані електрони в металах легко (практично без енергетичних витрат) переміщаються уздовж металевих зв'язків. Їх рух в напрямку, створюваному полем, обумовлено не дією поля, а їх витісненням з провідника з одного його кінця електронами, які надходять в провідник з іншого кінця провідника.

Атом в металі може бути пов'язаний з іншими атомами різними типами зв'язку (одне і двохелектронними ковалентними. Ван -дер- ваальсовскімі). В цьому випадку система складається. з ядер і пов'язують електронів. має кілька близько лежачі енергетичних мінімумів (енергетичних станів). і можливі форми переходять один в одного за рахунок переходу електронів. Якщо форми розрізняються по енергії. то рівновага між формами зсувається в бік форми з меншою енергією.

Електричний струм в металах - це впорядкований рух електронів під дією електричного поля. Досліди показують. що при протіканні струму по металевому провіднику перенесення речовини не відбувається, отже. іони металу не беруть участі в перенесенні електричного заряду.

У класичної електронної теорії металів передбачається. що рух електронів підкоряється законам механіки Ньютона. У цій теорії нехтують взаємодією електронів між собою. а їх взаємодія з позитивними іонами зводять тільки зіткненню. Передбачається також. що при кожному зіткненні електрон передає решітці всю накопичену в електричному полі енергію і тому після зіткнення він починає рух з нульовою дрейфовой швидкістю.

Таким чином. класична електронна теорія пояснює існування електричного опору металів. закони Ома і Джоуля-Ленца. Однак в ряді питань класична електронна теорія приводить до висновку, що знаходяться в протиріччі з досвідом.

Всі величини, що входять в праву частину цього співвідношення. можна виміряти. На підставі результатів дослідів Толмена і Стюарта було встановлено. що носії вільного заряду в металах мають негативний знак. а відношення заряду носія до його масі близько до питомій заряду електрона. отриманому з інших дослідів. Так, було встановлено. що носіями вільних зарядів у металах є електрони.

Носіями струму в розчинах або розплавах електролітів є позитивно і негативно заряджені іони. В такому випадку провідність називається іонної. Якщо посудина з розчином або розплавом електроліту включити в ланцюг, то позитивні іони будуть рухатися до катода, а негативні-до анода. Рух іонів в розчині або в розплаві електроліту супроводжується перенесенням речовини і виділенням його на електродах. Процес виділення речовини на електродах називається електролізом. Маса m речовини, яка виділяється на електроді під час електролізу, відповідно до закону Фарадея, прямо пропорційна заряду q, що пройшов через розчин або розплав електроліту: m = kq = kIt, де I - сила струму в ланцюзі, t - час проходження струму, k - електрохімічний еквівалент даної речовини. Електрохімічний еквівалент речовини залежить тільки від роду речовини і виражається формулою:

Власна провідність напівпровідників (провідність чистих напівпровідників) здійснюється переміщенням вільних електронів (електронна провідність) і переміщенням пов'язаних електронів на вакантні місця-діри (діркова провідність). Провідність напівпровідників сильно залежить від наявності домішок в ньому. Домішки, які віддають зайві валентні електрони, називаються донорними. В такому напівпровіднику електрони є основними носіями струму, а дірки-неосновними, а сам напівпровідник називається напівпровідником n-типу. Прикладом такої домішки служить миш'як для кремнію. Домішки, яким не вистачає валентних електронів, називаються акцепторними. В такому полупро

У матеріалі пропонуються розрізні картки - доміно для відпрацювання з учнями 10 класу теми "Електричний струм у різних середовищах". Описана коротка методика роботи з посібником. Матеріал може бути по.

Як уже зазначалося в попередньому розділі. метали є найпоширенішою середовищем. проводить електричний струм. І носіями зарядів вільні електрони. У зв'язку з цим існує особлива термінологія. згідно з якою провідність металів називається електронною провідністю. а самі електрони металу - електронами провідності.

В свою чергу. маючи підвищену внутрішню енергію. вузли решітки починають коливатися швидше, частіше стикаючись з електронами. Тобто електрони гальмуються більш ефективно. Тобто при збільшенні температури провідника збільшується його електричний опір.

Ще одним досвідом з підтвердження електронної провідності металів став досвід 1912 українських вчених Мангельштама і Папалексі. через невеликий час проведено також англійцями Стюартом і Толменом. В ході цього досвіду котушка з великою кількістю витків швидко оберталася. а потім різко гальмувалася. В результаті чого замкнутий разом з нею в ланцюг гальванометр показував наявність невеликого струму (рис. 2).

Найпоширеніше дію струму - це теплове дію. Як вже було зазначено в попередньому розділі. механізмом цієї дії є зіткнення електронів з вузлами кристалічної решітки. в результаті чого кінетична енергія електронів переходить у внутрішню енергію провідника.