Pomozite razvoju web mjesta, dijelite članak s prijateljima!
Električna struja u metalima je uređeno kretanje slobodnih elektrona. Pročitajte više o tome kasnije u našem članku.
Važno je znati
Kao što znate, električna struja je uređen tok nositelja električnog naboja. Nositelji su nabijene čestice koje se mogu slobodno kretati tijelom.
U slučaju metala, te čestice su elektroni koji se oslobađaju kada se stvori veza između metalnih atoma.
Poznato je da metali u čvrstom stanju imaju kristalnu strukturu. Čestice u kristalima raspoređene su određenim redoslijedom tvoreći prostornu rešetku (kristal).
Konačno, kristalnu rešetku metala čine pozitivni ioni uronjeni u "oblak" takozvanih slobodnih elektrona koji se nasumično kreću, a nazivaju se i elektroni vodljivosti. Ovisno o valenciji atoma metala, jedan atom može otpustiti od jednog do tri elektrona tijekom stvaranja metalnih veza. Broj tako oslobođenih elektrona izravno se prevodi u broj nositelja naboja. Ovo je jedan od čimbenika koji utječu na sposobnost metala da provodi struju.
Dokaz da struju u metalima uzrokuju elektroni bili su eksperimenti naših domaćih fizičara Leonida Isakoviča Mandeljstama i Nikolaja Dmitrijeviča Papaleksija, kao i američkih fizičara Balfoura Stewarta i Roberta Tolmana.
Sposobnost metala da provodi elektricitet može se opisati fizičkom veličinom koja se naziva električni otpor. Ova fizikalna veličina označava se grčkim slovom ρ (čita se "ro" ).Jedinica otpora je Ohm m, tj. ohm proizvod po metru. Otpornost je konstanta koja karakterizira materijal i ima različite vrijednosti za različite materijale. Na primjer, otpornost bakra je 1,7210-8Ohm m. To znači da je električni otpor bakrenog vodiča dugog 1 metar i površine poprečnog presjeka od 1 m je 1,7210-8 Ohm . Općenito, što je manji otpor materijala, to bolje provodi elektricitet.
Tablica u nastavku prikazuje neke primjere otpornosti uobičajeno korištenih metala.
| Metal | otpornost (Ohm m) |
| Srebro | 1,5910-8 |
| Bakar | 1,7210-8 |
| aluminij | 2,8210-8 |
| volfram | 5.610-8 |
| Željezo | 1010-8 |
Električni otpor može se povezati s mikroskopskim svojstvima materijala. Konkretno, ovisi o koncentraciji nositelja naboja i njihovoj pokretljivosti.
Kretanje slobodnih elektrona u metalima nije potpuno “slobodno”, jer oni tijekom svog kretanja stupaju u interakciju s drugim elektronima, a prije svega s ionima kristalne rešetke. Specifičnost ovog kretanja opisuje tzv. klasični model vodljivosti.
Glavne pretpostavke i zaključci ovog modela prikazani su u velikom pojednostavljenju u nastavku.
Klasični model vodljivosti
Bez vanjskog električnog polja, elektroni izvode toplinska kaotična kretanja, sudarajući se jedni s drugima, a također i s ionima kristalne rešetke. Kao rezultat takvog kretanja, prosječni položaj elektrona praktički se ne mijenja (vidi sl. 1.).
Riža. 1. Primjer putanje elektrona tijekom njegovog kaotičnog toplinskog gibanja u metalu
Zbog kvantnih učinaka, a posebno zbog Paulijevog principa isključenja, koji sprječava da svi elektroni zauzmu najniže energetsko stanje, prosječna brzina elektrona u metalima, povezana s njihovim nasumičnim toplinskim gibanjem, veća je od brzina čestica u klasičnom idealnom plinu iste temperature. To je oko 10 m/s.
Ako se na krajeve vodiča duljine L dovede električni napon U, u njemu će se pojaviti električno polje jakosti E=U / L
Pod djelovanjem ovog vanjskog polja, prema drugom zakonu dinamike, elektroni se ubrzavaju: a=F / m,
gdje je F=eE sila kojom električno polje djeluje na elektron s nabojem e. Dakle, ubrzanje elektrona je: a=eE / m .
Ubrzano gibanje elektrona traje vrlo kratko dok se ne sudari s ionomkristalne rešetke.Kao rezultat takvog sudara, elektron gubi gotovo svu svoju kinetičku energiju. Međutim, usporeni elektron ne ostaje u stanju mirovanja - on se ponovno ubrzava pod utjecajem električnog polja, ponovno se sudara s jednim od iona iz iona kristalne rešetke i tako dalje. Taj efekt brzini toplinskih gibanja dodaje dodatnu usmjerenu prosječnu brzinu u, koja zbog negativnog naboja elektrona ima smjer suprotan jakosti vanjskog električnog polja. Ta se brzina naziva prosječna brzina zanošenja (slika 2).
Riža. 2. Drift elektrona pod djelovanjem vanjskog električnog polja
Električna struja počinje teći u vodiču jakosti struje I (vidi sliku 3).
Riža. 3. Lebdeći elektroni sudaraju se s ionima kristalne rešetke
Pretpostavljajući da se gibanje elektrona jednoliko ubrzava između sudara s ionima rešetke, s akceleracijom a=eE / m, i pretpostavkom da elektron prenosi svu svoju kinetičku energiju na kristalnu rešetku kao rezultat sudara, možemo izračunati brzinu koju razvija elektron u svom slobodnom gibanju: v=aτ .U ovoj formuli, τ je prosječni vremenski interval između sljedećih sudara lebdećeg elektrona s ionima kristalne rešetke.
Budući da je kod jednoliko ubrzanog kretanja bez početne brzine prosječna brzina aritmetička sredina početne (jednake nuli) i konačne brzine, dobivamo: u=v / 2=eEτ / 2m .
Iz dobivene formule proizlazi da je brzina drifta, osim vanjskim električnim poljem, određena prosječnim vremenskim intervalom između sudara elektrona s ionima rešetke. Ovaj parametar ovisi o mnogim čimbenicima (uključujući temperaturu, kristalnu strukturu metala, nedostatke u kristalnoj strukturi, nečistoće) i, kako se pokazalo, značajno utječe na električni otpor materijala.
Prosječna brzina driftanja elektrona je oko 10-4m/s. Vrlo je mala u usporedbi s brzinom toplinskog gibanja, koja iznosi oko 106 m/s.
Klasična teorija vodljivosti prilično dobro opisuje fenomen električne vodljivosti u metalima. Međutim, ova teorija ne može objasniti eksperimentalno promatranu ovisnost električnog otpora o temperaturi.
Razlog spomenutog neuspjeha klasične teorije vodljivosti je taj što ne uzima u obzir utjecaj iona rešetke na kretanje elektrona između sudara. Realističniji rezultati dobiveni su kvantnom teorijom vodljivosti, koja opisuje elektrone kao čestice podložne kvantnoj statistici, koje se kreću u periodičnom električnom polju koje stvaraju pozitivni ioni rešetke.
Zaključci jednostavnim jezikom
Apsolutna vrijednost negativnog naboja svih slobodnih elektrona jednaka je pozitivnom naboju svih iona rešetke. Stoga je u normalnim uvjetima metal električki neutralan. Slobodni elektroni u njemu se kreću nasumično. Ali ako se u metalu stvori električno polje, tada će se slobodni elektroni početi kretati u smjeru pod djelovanjem električnih sila. Bit će električne struje. Pritom je sačuvano nasumično kretanje elektrona, kao što je nasumično kretanje sačuvano u jatu mušica kada se pod utjecajem vjetra kreće u jednom smjeru.
« Brzina kretanja samih elektrona u vodiču pod djelovanjem električnog polja je mala - nekoliko milimetara u sekundi, a ponekad i manje. Ali čim se u vodiču pojavi električno polje, ono se širi duž cijele duljine vodiča ogromnom brzinom bliskom brzini svjetlosti u vakuumu (300 000 km / s). »
Peryshkin A.V. Fizika 8. - M.: Bustard, 2010
Na primjer, električni signal poslan, na primjer, žicom iz Moskve u Vladivostok (s=8000 km), tamo stiže za oko 0,03 s.
Istovremeno sa širenjem električnog polja, svi elektroni počinju se kretati u istom smjeru duž cijele duljine vodiča. Tako, na primjer, kada je strujni krug električne svjetiljke zatvoren, elektroni u spirali svjetiljke također se kreću na pravilan način.
Usporedba električne struje s protokom vode u vodovodnom sustavu i širenja električnog polja sa širenjem tlaka vode pomoći će nam da ovo razumijemo.Kada se voda digne u vodospremu, tlak (pritisak) vode se vrlo brzo širi po cijelom vodoopskrbnom sustavu. Kada otvorimo slavinu, voda je već pod pritiskom i odmah počinje teći. Ali voda koja je bila u slavini teče, a voda iz tornja dolazi do slavine mnogo kasnije, jer se voda kreće sporijom brzinom od pritiska.
Kada se govori o brzini prostiranja električne struje u vodiču, misli se na brzinu prostiranja električnog polja duž vodiča.