Повідомлення на тему електронна провідність металів. Електронна провідність металів — Гіпермаркет знань.

Електропровідність металів

При вплив на метал електричного (або магнітного) поля (або різниці температур) у ньому виникають потоки заряджених частинок та енергії.

Явлення виникнення цих потоків чи струмів прийнято називати кінетичними ефектами чи явищами переносу, інакше - транспортними ефектами, маю на увазі вплив стаціонарних полів на нерухомі провідники. У такому разі струм або потік пропорційний різниці потенціалів (або різниці температур), а коефіцієнт пропорційності визначається лише геометричними розмірами провідника та фізичними властивостями самого металу.

При одиничних геометричних розмірах цей коефіцієнт залежить лише від властивостей даного металуі є його фундаментальною фізичною характеристикою, яка називається кінетичного коефіцієнта. При знаходженні провідника в змінному полі струми, що виникають в ньому, залежать не тільки від геометричних розмірів і кінетичного коефіцієнта, але і від частоти змінного поля, форми провідника, взаємного розташуванняелементів електричного кола.

Опір провідника при змінному струмі істотно залежить від його частоти, обумовленої спинефектом - витіснення струму з центру провідника на периферію. З багатьох можливих кінетичних явищнайбільш відомі в техніці два: електропровідність - здатність речовини проводити постійний електричний струм під дією часу, що не змінюється в часі електричного поля, і теплопровідність - аналогічно по відношенню до різниці температур та теплового потоку. Обидва ці явища виражаються (кількісно) законами Ома та Фур'є відповідно:

j = E; ω = k T.

де j – щільність струму, А/м;

γ - кінетичний коефіцієнт електричної провідності);

Е – напруженість електричного поля В/м;

ω – щільність теплового півтоку;

Т – різниця температур;

k – коефіцієнт теплопровідності.

На практиці зазвичай використовують питому електричний опірабо просто питомий опір, Ом м

Однак для провідників дозволяється користуватися позасистемною одиницею вимірювання Ом мм2/м, або рекомендується застосовувати рівну за розмірністю одиницю СІ мкОм/м. Перехід від однієї одиниці до іншої у цьому випадку: 1 Ом м = 106 мкОм м = 106 Ом мм2/м.

Опір провідника довільних розмірів із постійним поперечним перерізом визначаться:

де l - Довжина провідника, м;

S – площа провідника, м2.

Метали зазвичай характеризуються як пластичні речовини з характерним «металевим» блиском, добре проводять електричний струм і теплоту.

Для електропровідності металів типові: низьке значенняпитомого опору при нормальній температурі, Значне зростання опору при підвищенні температури, досить близьке до прямої пропорційності; при зниженні температури до температури, близьких до абсолютному нулю, опір металів зменшується до дуже малих значень, що становлять найбільш чистих металів до 10-3 і навіть меншу частку опору при нормальних, + 20 0С, температурах.

Для них також характерна наявність зв'язку між питомою електропровідністю та питомою теплопровідністю, яка описується емпіричним законом Відемана – Франца, як відношення k/γ приблизно однаково для різних матеріалівза однакової температури. Приватне від поділу k/γ на абсолютну температуру T (L0 = k / (γ T)). називається числом Лоренца, є (для всіх металів) величиною, що мало відрізняються при всіх температурах.

Теорія кінетичних явищ у металах може пояснити форму залежностей кінетичних коефіцієнтів від температури, тиску та інших факторів, з її допомогою можна обчислити і їх значення. Для цього розглянемо внутрішню будову металів.

Фундаментальна ідея цього розділу фізики виникла на рубежі 19 -20 го століття: атоми металу іонізовані, а валентні електрони, що відокремилися від них, вільні, тобто належать всьому кристалу.

Іони суворо впорядковані, утворюють правильні кристалічні грати; їхня взаємодія з негативно зарядженою хмарою вільних електронів така, що робить кристал стабільним, стійким утворенням.

Наявність вільних електронів добре пояснює високу електропровідність металів, які справакалізація забезпечує високу пластичність. Значить, найбільш характерною особливістю внутрішньої будовиметалевих провідників є наявність колективізованих електронів, що підтверджує їх електронна будова. В її найпростішої моделісукупність колективізованих електронів пояснюють як електронний газ, у якому частки перебувають у хаотичному тепловому русі.

Рівновага встановлюється (якщо знехтувати зіткнення між електронами) за рахунок зіткнення електронів з іонами. Оскільки тепловий рух повністю не впорядкований, то, незважаючи на зарядженість електронів, струму в ланцюзі (макроскопічного) не спостерігається. Якщо до провідника додати зовнішнє електричне поле, то вільні електрони, отримавши прискорення, вишиковуються в упорядковану складову, яка орієнтована вздовж поля.

Оскільки іони у вузлах решітки нерухомі, упорядкованість у русі електронів виявиться макроскопічним електричним струмом. Питома провідність у разі може бути виражена з урахуванням середньої довжинивільного пробігу λ електрона в прискорюючому полі напруженістю Е:

λ = е Е τ / (2 m) як γ = е2 n λ / (2 m vτ),

де е – заряд електрона;

n – число вільних електронів в одиниці об'єму металу;

λ - середня довжина вільного пробігу електрона між двома співудареннями;

m – маса електрона;

v τ- середня швидкість теплового рухувільного електрона у металі.

З урахуванням положень квантової механіки

γ = До п2/3 / λ

де К – числовий коефіцієнт.

Діапазон питомих опорів металевих провідників за нормальної температури займає лише три порядки. Для різних металівшвидкості хаотичного теплового руху електронів за певної температури приблизно однакові.

Концентрації вільних електронів різняться незначно, тому значення питомого опору переважно залежить від середньої довжини вільного пробігу електронів у цьому провіднику, а вона визначається структурою матеріалу провідника. Всі чисті метали з найбільш правильною кристалічною решіткою мають мінімальні значенняпитомого опору. Домішки, спотворюючи ґрати, призводять до збільшення питомого опору

Температурний коефіцієнт питомого опору чи середній температурний коефіцієнтпитомого опору висловиться

α = 1/ρ (dρ/dt); α` = 1 / ρ (ρ2 - ρ1) / (T2 – T1),

де ρ1 і ρ2 – питомі опори провідника за температур Т1 і Т2 відповідно при Т2 > T1.

У технічних довідниках зазвичай наводиться величина α`, за допомогою якої можна приблизно визначити ρ при довільній температурі Т:

ρ = ρ1 (1 + αρ` (Т – Т1)).

Цей вираз дає точне значенняпитомого опору р тільки для лінійної залежностіρ(Т). В інших випадках цей метод є наближеним; він тим точніше, що вже інтервал температур, який використаний визначення αρ`.

Питомий опір більшості металів, що збільшують свій обсяг під час плавлення, зменшує щільність. У металів, що зменшують свій обсяг при плавленні, питомий опір зменшується; до таких металів відносять галій, сурму та вісмут.

Питомий опір сплавів завжди більший, ніж у чистих металів. Особливо це помітно, якщо при сплавленні вони утворюють твердий розчин, тобто. спільно кристалізуються при затвердінні і атоми одного металу входять у ґрати іншого.

Якщо сплав двох металів створює роздільну кристалізацію і застиглий розчин - суміш кристалів кожної зі складових, то питома провідність такого сплаву змінюється зі зміною складу майже лінійно. У твердих розчинах ця залежність (від вмісту кожного з металів) не лінійна і має максимум, відповідний певному співвідношенню компонентів сплаву.

Іноді при певному співвідношенні між компонентами вони утворюють хімічні сполуки(інтерметаліди), при цьому вони мають не металевий характер електропровідності, а є електронними напівпровідниками.

Температурний коефіцієнт лінійного розширення провідників визначається так само, як і для діелектриків за формулою

ТКl = α(l) = l/l (dl/dТ), (3.1)

де ТКl = α(l) -температурний коефіцієнт лінійного розширенняК-1

Цей коефіцієнт необхідно знати, щоб мати можливість оцінити роботу сполучених матеріалів різних конструкціях, а також унеможливити розтріскування або порушення вакуумного з'єднання металу зі склом або керамікою при зміні температури. Крім того, він входить до розрахунку температурного коефіцієнта електричного опору проводів

ТКR = α(R) = α(ρ) - α(l).

ТермоЕРС провідників

ТермоЕРС виникає при зіткненні двох різних провідників (або напівпровідників), якщо температура їх спаїв неоднакова. Якщо два різних провідники стикаються, між ними виникає контактна різниця потенціалів. Для металів А та В

Ucb - Uc + К Т / е ln (n0с / nоb),

де U з і U b - потенціали металів, що стикаються; концентрація електронів у відповідних металах;

К - постійна Бол'цмана;

Т – температура;

е - абсолютна величиназаряду електрона.

Якщо температура спаїв металів однакова, то сума різниці потенціалів у замкнутому ланцюзі дорівнює нулю. Якщо температура шарів різна (Т2 і Т1, наприклад), то цьому випадку

U = К/е (Т1-Т2) ln(nc/пb). (3.2)

На практиці вираз (3.2) не завжди дотримується, і залежність термоЕРС від температури може бути нелінійною. Провід, складений із двох ізольованих дротів різних металів або сплавів, називається термопарою і використовується для вимірювання температур.

У таких випадках намагаються використовувати матеріали, що мають великий і стабільний коефіцієнт термоЕДС. для вимірювання високих температур іноді доводиться (особливо при вимірюванні температур у агресивних середовищах) застосовувати термопари з меншими коефіцієнтами термо ЕдС, але витримують високі температури і не окислюються в агресивних середовищах.

Сплави для термопар мають різні поєднання, В тому числі один електрод може бути з чистого металу. Найбільш поширеними є нікелеві та мідно-нікелеві сплави. Для температур у межах 1000 – 1200 0С використовуються термопари хромель – алюмель (ТХА), при більш високих температурахзастосовуються електроди платина – платинородій; у цих сплавах родію становить від 6,7 до 40,5%. Марки таких термопар такі: ПЛРД-7, ПЛРД-10, ПЛРД-30, ПЛРД-40.

Електронна провідністьметалів

Класифікація провідників

ТЕМА 3 ФІЗИЧНІ ЕФЕКТИ У ПРОВІДНИКАХ

Особливості провідності металів, тепловий та дрейфовий рух електропровідності.

У електронної промисловостішироко застосовуються метали та його сплави, у тому числі роблять провідники.

Класифікуються за агрегатного стану: газоподібні, рідкі, тверді.

Газоподібні –пари речовин і гази при напруженості електричного поля, Ѹᴏᴛᴏᴩᴏᴇ забезпечує іонізацію молекул. Вони електричний струм створюється як електронами, і іонами. Використовуються у газорозрядних приладах.

Рідкі– розчини різних солей, кислот, лугів, а також їх розплави (електроліти) Струм пов'язаний з перенесенням іонів, при цьому склад електроліту змінюється, а на електродах, занурених в електроліт, відбувається виділення речовини з розчину.

Тверді- Це метали, які займають у таблиці Менделєєва понад 75%. Струм у них створюється лише електронами, а у зв'язку з цим немає перенесення речовини від одного електрода до іншого.

Застосуванняметалеві матеріали поділяються:

Метали високої провідності;

Сплави високого опору.

Метали високої провідності: срібло, мідь, алюміній, залізо, золото.

Надпровідники(при низьких t 0 C): алюміній, ртуть, свинець, ніобій, з'єднання з оловом, титаном, цирконієм.

Сплави високого опору:

Мідно-марганцові (манганін);

Мідно-нікелєві (константани);

Железа, нікелю та хрому (ніхроми).

Елементи першої групи таблиці Менделєєва одновалентні. Валентний електрон слабо пов'язаний зі своїм ядром і за будь-яких зовнішніх впливахрозриває зв'язок із ядром і стає вільним. З цієї причини у вузлах кристалічних ґрат знаходяться позитивно заряджені атоми (іони), а між ними переміщаються вільні електрони.

Іони та електрони перебувають у безладному русі. Енергія цього руху становить внутрішню енергіюструму.

Рух іонів, що утворюють ґрати, полягає лише в коливаннях біля своїх положень рівноваги. Вільні електрони можуть переміщатися по об'єму металу. За відсутності всередині металу електричного поля, рух електронів хаотично, у кожний момент швидкості різних електронів різні і мають усілякі напрямки. Електрони подібні до газу, у зв'язку з цим їх часто називають електронним газом.

Тепловий рух не викликає ніякого струму, тому що внаслідок повної хаотичності в кожному напрямку рухатиметься стільки ж електронів, скільки в протилежному, і у зв'язку з цим сумарний заряд, що переноситься через будь-який майданчик усередині, дорівнюватиме нулю.

Якщо на кінцях провідника створити різницю потенціалів, тобто. створити всередині електричне поле, то на кожен електрон діятиме сила, кожен електрон отримає додаткові швидкості, спрямовані в одну сторону. Рух стане спрямованим, тобто. буде електричний струм.

Висновок:

Хаотичний рух обумовлений впливом зовнішніх факторів(тепла). Спрямований рух за рахунок різниці потенціалів прийнято називати дрейфовим.

Провідність різних металів різна, оскільки обумовлена:

Різною кількістю вільних електронів в одиниці об'єму;

Умовами руху електронів, пов'язаних з різною довгою вільного пробігу, тобто. шляху, що проходить у середньому електроном між двома суударениями з іонами.

На практиці використовують поняття: питома провідність та питомий опір:

s- Питома провідність, МСu/м

r- питомий опір, Ом*мм 2/м

r= 1/s = 1/еnm = 2mu т /е 2 n l ср,

де е- Заряд електрона = 1,6 * 10 -19 ;

n– кількість вільних електронів;

m- рухливість електрона, зумовлена ​​електричним полем;

m- Маса електрона = 9,1*10 -31 кг;

l ср -середня довжина вільного пробігу;

u т –середня швидкість теплового руху

Значення u т,n, у різних провідниках приблизно однакові, наприклад:

nміді = 8,5 * 10 28 м -3 nалюм = 8,3*10 28 м -3 значення швидкості теплового руху приблизно u т = 10 5 м/с.

Для кожного металу існує певний температурний коефіцієнт опору при зміні Т0 на 10С, віднесений до 10м початкового опору (a):

a = R 2 -R 1 / R 1 (T 2 -T 1) ,

де R 1- Опір при T 1

R 2- Опір при T 2

звідси R 2 = R 1

Це співвідношення справедливе для температур 100-1500С.

Електронна провідність металів - поняття та види. Класифікація та особливості категорії "Електронна провідність металів" 2017, 2018.

Електронна провідність металів

На початку XX століття була створена класична електронна теорія провідності металів (П. Друде, 1900, Х. Лоренц, 1904), яка дала просте і наочне пояснення більшості електричних і теплових властивостей металів. Розглянемо деякі положення цієї теорії.

Вільні електрони

Металевий провідник складається з:

1) позитивно заряджених іонів, що коливаються біля положення рівноваги, та

2) вільних електронів, здатних переміщатися у всьому обсязі провідника.

Таким чином, електричні властивостіметалів обумовлені наявністю в них вільних електронів з концентрацією близько 1028 м-3, що відповідає концентрації атомів. Ці електрони називаються електронами провідності. Вони утворюються шляхом відриву від атомів металів їх валентних електронів. Такі електрони не належать якомусь певному атомута здатні переміщатися по всьому об'єму тіла. У металі без електричного поля електрони провідності хаотично рухаються і стикаються, найчастіше з іонами кристалічних ґрат(Рис. 1). Сукупність цих електронів можна наближено розглядати як електронний газ, що підпорядковується законам ідеального газу. Середня швидкістьтеплового руху електронів при кімнатній температурістановить приблизно 105 м/с.

Малюнок 1

Електричний струм у металах

Іони кристалічних ґрат металу не беруть участь у створенні струму. Їхнє переміщення при проходженні струму означало б перенесення речовини вздовж провідника, що не спостерігається. Наприклад, у дослідах Е. Рікке (1901 р.) маса та хімічний складпровідника не змінювався під час проходження струму протягом року.

Експериментальний доказ те, що струм у металах створюється вільними електронами, було дано у дослідах Л.І. Мандельштама та Н. Д. Папалексі (1912 р., результати не були опубліковані), а також Т. Стюарта та Р. Толмена (1916 р.). Вони виявили, що при різкій зупинці котушки, що швидко обертається, у провіднику котушки виникає електричний струм, створюваний негативно зарядженими частинками - електронами.

Отже, електричний струм у металах – це спрямоване рухом вільних електронів.

Оскільки електричний струм у металах утворюють вільні електрони, то провідність металевих провідників називається електронною провідністю.

Електричний струм у металах виникає під впливом зовнішнього електричного поля. На електрони провідності, що у цьому полі, діє електрична сила, що повідомляє їм прискорення, спрямоване убік, протилежну векторунапруги поля. В результаті електрони набувають деякої додаткової швидкості (її називають дрейфової). Ця швидкість зростає доти, доки електрон не зіткнеться з атомом кристалічних ґрат металу. За таких зіткнень електрони втрачають свою надмірну кінетичну енергію, передаючи її іонам. Потім електрони знову розганяються електричним полем, знову гальмуються іонами тощо. Середня швидкість дрейфу електронів дуже мала, близько 10–4 м/с.

Швидкість поширення струму і швидкість дрейфу не те саме. Швидкість поширення струму дорівнює швидкості поширення електричного поля у просторі, тобто. 3⋅108 м/с.

При зіткненні з іонами електрони провідності передають частину кінетичної енергіїіонів, що призводить до збільшення енергії руху іонів кристалічних ґрат, а, отже, і до нагрівання провідника.

Опір металів

Опір металів пояснюється зіткненнями електронів провідності з іонами кристалічних ґрат. При цьому, очевидно, чим частіше відбуваються такі зіткнення, тобто чим менше середній час вільного пробігу електрона між зіткненнями τ, тим більший питомий опір металу.

У свою чергу, час залежить від відстані між іонами решітки, амплітуди їх коливань, характеру взаємодії електронів з іонами та швидкості теплового руху електронів. Зі зростанням температури металу амплітуда коливань іонів та швидкість теплового руху електронів збільшуються. Зростає і кількість дефектів кристалічних ґрат. Усе це призводить до того, що зі збільшенням температури металу зіткнення електронів з іонами відбуватимуться частіше, тобто. час зменшується, а питомий опір металу збільшується.

Досвід Мандельштама та Папалексі щодо з'ясування руху електрона

Якщо електрон має масу, то його маса, або здатність рухатися за інерцією, повинна виявлятися всюди, а не тільки в електричному полі. Російські вчені Л. І. Мандельштам (1879-1949; засновник школи радіофізиків) та Н. Д. Папалексі (1880 - 1947; найбільший радянський фізик, академік, голова Всесоюзного наукової радиз радіофізики та радіотехніки при АН СРСР) у 1913 році поставили оригінальний досвід. Взяли котушку з дротом і почали крутити її в різні боки.

Розкрутять, наприклад, за годинниковою стрілкою, потім різко зупинять і назад.

Розмірковували вони приблизно так: якщо електрони і справді мають масу, то, коли котушка раптово зупиняється, електрони ще деякий час повинні рухатися за інерцією. Рух електронів дротом - електричний струм. Як задумали, так і вийшло. Підключили до кінців дроту телефон і почули звук. Раз у телефоні чути звук, отже, через нього струм протікає.

Досвід Мандельштама та Папалексі у 1916 році повторили американські вчені Толмен та Стюарт. Вони теж крутили котушку, але замість телефону до її кінців приєднали прилад для вимірювання заряду. Їм вдалося не лише довести існування у електрона маси, а й виміряти її. Дані Толмена та Стюарта потім багато разів перевірялися та уточнювалися іншими вченими, і тепер ви знаєте, що маса електрона дорівнює 9,109 Ю-31 кілограма.

При постановці цих дослідів виходили такої думки. Якщо в металі є вільні заряди, що володіють масою, то вони повинні підкорятися закону інерції, провідник, що швидко рухається, наприклад, зліва направо являє собою сукупність атомів металу, що рухаються в цьому напрямку, які захоплюють разом з собою і вільні заряди. Коли такий провідник раптово зупиняється, то зупиняються атоми, що входять до його складу; вільні ж заряди по інерції повинні продовжувати рух зліва направо, поки різні перешкоди (співдарення з атомами, що зупинилися) не зупинять їх. Подібне явище подібне до того, що спостерігається при раптовій зупинці трамвая, коли «вільні», не прикріплені до вагона предмети і люди за інерцією деякий час продовжують рухатися вперед.

Таким чином, короткий часпісля зупинки провідника вільні заряди у ньому мають рухатися в один бік. Але рух зарядів у певний бікЄ електричний струм. Отже, якщо наші міркування справедливі, то після раптової зупинкипровідника слід очікувати появи в ньому короткочасного струму. Напрямок цього струму дозволить судити про знак. Заряду. Якщо ж у цьому напрямку рухатимуться негативні заряди, то має спостерігатися струм, що має напрямок праворуч наліво та навпаки. Виникає струм залежить від зарядів і здатності їх носіїв більш менш довго зберігати по інерції свій рух, незважаючи на перешкоди, тобто від їх маси. Таким чином, цей досвід не тільки дозволяє перевірити припущення про існування в металі вільних зарядів, а й визначити самі заряди, їх знак та масу носіїв (точніше, відношення заряду до маси elm).

У практичному здійсненні досвіду виявилося зручнішим використовувати не поступальне, а обертальний рухпровідника. Схема такого досвіду наведено на рис.2.

Малюнок 2

На котушці, в яку вставлені дві ізольовані одна від одної півосі 00, укріплена дротяна спіраль 1. Кінці спіралі припаяні до обох половин осі і за допомогою ковзаючих контактів 2 («щіток») приєднані до чутливого гальванометра 3. Котушка приводилася в швидке обертання раптово гальмувалась. Досвід справді виявив, що при цьому у гальванометрі виникав електричний струм. Напрямок цього струму показало, що з інерції рухаються негативні заряди. Вимірявши заряд, який переноситься цим короткочасним струмом, можна було знайти відношення вільного зарядудо маси його носія. Відношення це виявилося рівним e/m=l,8 1011 Кл/кг, що добре збігається зі значенням такого відношення для електронів, визначеним іншими способами.

У цій статті розкриємо тему електропровідності, згадаємо про те, що таке електричний струм, як він пов'язаний із опором провідника і відповідно до його електропровідності. Зазначимо основні формули для обчислення даних величин, торкнемося теми та її зв'язку з напруженістю електричного поля. Також торкнемося зв'язку електричного опору і температури.

Для початку згадаємо про те, що таке електричний струм. Якщо помістити речовину у зовнішнє електричне поле, то під дією сил з боку цього поля, у речовині почнеться рух елементарних носіївзаряду - іонів чи електронів. Це буде електричним струмом. Сила струму I вимірюється в амперах, і один ампер - це струм, при якому через поперечний переріз провідника протікає за секунду заряд, що дорівнює одному кулону.

Струм буває постійним, змінним, пульсуючим. Постійний струм не змінює своєї величини та напрямки у кожний конкретний момент часу, змінний струмз часом змінює свої величину і напрямок (генератори змінного струму і трансформатори дають саме змінний струм), пульсуючий струм змінює свою величину, але не змінює напрямки (наприклад, випрямлений змінний струм є пульсуючим).

Речовини мають властивість проводити електричний струм під впливом електричного поля, і це властивість називається електропровідністю, яка в різних речовин різна.Електропровідність речовин залежить від концентрації в них вільних заряджених частинок, тобто іонів та електронів, не пов'язаних ні з кристалічною структурою, ні з молекулами, ні з атомами даної речовини. Так, залежно від концентрації у речовині вільних носіїв заряду, речовини за рівнем електропровідності поділяються на: провідники, діелектрики та напівпровідники.

Найбільш високою електропровідністю володіють і по фізичної природи, провідники у природі представлені двома пологами: металами та електролітами. У металах струм обумовлений переміщенням вільних електронів, тобто провідність у них електронна, а в електролітах (у розчинах кислот, солей, лугів) - переміщенням іонів - частин молекул, що мають позитивний і негативний зарядтобто провідність у електролітів іонна. Іонізовані пари та гази відрізняються змішаною провідністю, в них струм обумовлений рухом і електронів та іонів.

Електронна теорія добре пояснює високу електропровідність металів. Зв'язок валентних електронів зі своїми ядрами в металах слабка, тому ці електрони вільно переміщаються від атома до атома за обсягом провідника.

Виходить, що вільні електрони в металах заповнюють простір між атомами подібно до газу, електронного газу, і знаходяться в хаотичному русі. Але при внесенні металевого провідника в електричне поле, вільні електрони рухатимуться впорядковано, вони перемістяться до позитивного полюса, чим створять струм. Таким чином, упорядкований рух вільних електронів у металевому провіднику називається електричним струмом.

Відомо, що швидкість поширення електричного поля у просторі приблизно дорівнює 300000000 м/с, тобто швидкості світла. Це та сама швидкість, з якою струм проходить по провіднику.

Що це означає? Це не означає, що кожен електрон в металі рухається з такою величезною швидкістю, електрони в провіднику навпаки - мають швидкість від кількох міліметрів в секунду до кількох сантиметрів в секунду, в залежності від , а ось швидкість поширення електричного струмупо провіднику якраз дорівнює швидкості світла.

Вся справа в тому, що кожен вільний електрон виявляється в загальному електронному потоці того самого «електронного газу», і під час проходження струму, електричне поле діє на весь цей потік, в результаті електрони безперервно один одному передають цю дію поля - від сусіда до сусіду.

Але рухаються електрони на своїх місцях дуже повільно, незважаючи на те, що швидкість розповсюдження електричної енергіїпо провіднику виявляється величезною. Так, коли на електростанції включають рубильник, струм миттєво виникає у всій мережі, а електрони при цьому практично стоять на місцях.

Однак, коли вільні електрони рухаються провідником, вони зазнають численних зіткнень на своєму шляху, вони стикаються з атомами, іонами, молекулами, передаючи їм частину своєї енергії. Енергія електронів, що рухаються, долають такий опір, частково розсіюється у вигляді тепла, і провідник нагрівається.

Ці зіткнення є опором руху електронів, тому властивість провідника перешкоджати руху заряджених частинок і називають електричним опором. При малому опорі провідника провідник нагрівається струмом слабо, при значному - набагато сильніше, і навіть до білого, цей ефект застосовується в нагрівальних приладах та лампах розжарювання.

Одиниця зміни опору – Ом. Опір R = 1 Ом – це опір такого провідника, при проходженні яким постійного струмуодин ампер, різниця потенціалів на кінцях провідника дорівнює 1 вольту. Еталон опору в 1 Ом – стовп ртуті заввишки 1063 мм, перерізом 1 кв.мм при температурі 0°С.

Оскільки провідникам характерний електричний опір, то можна сказати, що певною мірою провідник здатний проводити електричний струм. У зв'язку з цим запроваджено величину, звану провідністю або електропровідністю. Електропровідність - це здатність провідника проводити електричний струм, тобто величина, обернена до електричного опору.

Одиниця виміру електропровідності G (провідності) - Сіменс (См), та 1 См = 1/(1 Ом). G = 1/R.

Оскільки атоми різних речовинв різного ступеняперешкоджають проходженню електричного струму, і електричний опір у різних речовин різне. З цієї причини введено поняття , величина якого «р» характеризує провідні властивості тієї чи іншої речовини.

Питомий електричний опір вимірюється Ом*м, тобто опір куба речовини з ребром в 1 метр. Таким же чином електропровідність речовини характеризується питомою електропровідністю?, що вимірюється См/м, тобто провідність куба речовини з ребром в 1 метр.

Сьогодні провідні матеріали в електротехніці використовують в основному у вигляді стрічок, шин, дротів, певною площею поперечного перерізуі певної довжиниале не у вигляді метрових кубів. І для зручніших розрахунків електричного опору та електропровідності провідників конкретних розмірів були введені більш прийнятні одиниці виміру як для питомого електричного опору, так і для питомої електропровідності. Ом*мм2/м – для питомого опору, та См*м/мм2 – для питомої електропровідності.

Тепер можна говорити, що питомий електричний опір і питома електропровідність характеризують провідні властивості провідника площею поперечного перерізу в 1 кв.мм, довжиною в 1 метр при температурі 20°C, це зручніше.

Найкращою електропровідністю мають такі метали як: золото, мідь, срібло, хром, алюміній. Сталь та залізо проводять струм гірше. Чисті метали завжди мають кращу електропровідність, ніж їх сплави, тому чиста мідь в електротехніці краще. Якщо потрібний спеціально високий опір, то використовують вольфрам, ніхром, константан.

Знаючи величину питомого електричного опору або питомої електропровідності, можна легко обчислити опір або електропровідність конкретного провідника, виготовленого з даного матеріалу, Взявши до уваги довжину l і ​​площа поперечного перерізу S цього провідника.

Електропровідність та електричний опір всіх матеріалів залежить від температуриоскільки частота і амплітуда теплових коливань атомів кристалічної решітки зі зростанням температури так само зростає, відповідно зростає і опір електричному струму, потоку електронів.

При зниженні температури - навпаки, коливання атомів кристалічних ґрат стають меншими, опір зменшується (зростає електропровідність). В одних речовин залежність опору від температури виражена слабше, в інших – сильніша. Наприклад, такі сплави як константан, фехраль і манганін слабо змінюють питомий опір у певному інтервалі температур, тому з них роблять термостабільні резистори.

Дозволяє обчислити для конкретного матеріалу збільшення його опору за певної температури, і чисельно характеризує відносне збільшення опору зі збільшенням температури на 1 °С.

Знаючи температурний коефіцієнт опору та збільшення температури, можна легко обчислити питомий опір речовини при заданій температурі.

Сподіваємося, що наша стаття була для вас корисною, і тепер ви легко зможете обчислити опір і провідність будь-якого дроту за будь-якої температури.

Нікого сьогодні не дивує, що, доторкнувшись до клавіші вимикача, ми бачимо лампочку, що спалахнула. Найчастіше ми навіть не замислюємося, що всі подібні дії ґрунтуються на цілої серіїОдне з таких надзвичайно цікавих явищ - електропровідність металів, яка забезпечує протікання електричного струму.

Для початку, мабуть, слід визначитися, про що взагалі йдеться. Отже, електропровідністю називають здатність речовини пропускати. різні речовинимають цю здатність різною мірою. За рівнем електропровідності речовини поділяються на провідники, напівпровідники та діелектрики.

Якщо подивитися експериментальні дані, отримані дослідниками під час вивчення електричного струму, стане ясно, що провідність металів найвища. Це підтверджує повсякденна практика, коли передачі електричного струму використовують металеві проводи. Саме метали насамперед виступають провідниками електричного струму. І пояснення цьому можна знайти в електронної теоріїметалів.

Згідно з останньою, провідник є кристалічною решіткою, вузли якої займають атоми. Вони розташовані дуже щільно і пов'язані із сусідніми подібними атомами, тому залишаються практично у вузлах кристалічних ґрат. Чого не можна сказати про електрони, розташовані на зовнішніх оболонкахатомів. Ці електрони можуть вільно безладно рухатися, утворюючи так званий "електронний газ". Ось електронна провідність металів і ґрунтується на таких електронах.

Як доказ того, що природа електричного струму обумовлена ​​електронами, можна згадати досвід німецького фізика Рікке, поставлений у 1901 році. Він узяв два мідні та один алюмінієвий циліндри з ретельно відполірованими торцями, поставив один на інший і пропускав через них електричний струм. За задумом експериментатора, якщо електропровідність металів обумовлена ​​атомами, то відбувалося б перенесення речовини. Однак після пропускання електричного струму протягом року маса циліндрів не змінилася.

З цього результату випливав висновок, що електропровідність металів викликана якимись частинками, властивими всім провідникам. На цю роль якраз і підходив електрон, який на цей момент вже був відкритий. Надалі провели ще кілька дотепних дослідів і всі вони підтвердили, що електричний струм обумовлений рухом електронів.

Відповідно до сучасними уявленнямипро метали, в її вузлах розташовуються іони, а електрони відносно вільно переміщаються між ними. Саме велика кількістьтаких електронів та забезпечує високу електропровідність металів. За наявності невеликої на кінцях провідника ці вільні електрони починають переміщатися, що викликає протікання електричного струму.

Тут слід зазначити, що провідність сильно залежить від температури. Так, при зростанні температури провідність металів зменшується, і навпаки, збільшується при зниженні температури, аж до того ж слід пам'ятати, що хоча провідністю володіють всі метали, її величина для кожного з них своя. Найкращою провідністю з найбільш поширених і застосовуваних в електротехніці металів має мідь.

Отже, наведений матеріал дає поняття, що є електропровідністю металів, пояснює природу електричного струму і пояснює, чим вона викликана. Дано опис кристалічних ґрат металів та вплив деяких зовнішніх факторів на провідність.