Ток в металлах

Электрический ток может протекать в различных средах: металлах, полупроводниках, жидкостях и газах.

Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны, т.к. металлы имеют кристаллическую решетку, состоящую из положительных ионов, в которой свободно движутся электроны. Их концентрация велика. Эти электроны участвуют в беспорядочном тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают упорядоченно перемещаться.

Рассмотрим опыт, подтверждающий существование свободных электронов в металлах:

На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. К концам дисков при помощи скользящих контактов подключают гальванометр. Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции и, следовательно, в катушке возникает электрический ток. Ток существует незначительное время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующих ток, прекращается.

Направление тока в этом опыте говорит о том, что он создается движением отрицательно заряженных частиц. Электроны под влиянием силы, действующей на них со стороны электрического поля, приобретают определенную скорость движения. Эта скорость не увеличивается со временем, так как сталкиваясь с ионами кристаллической решетки, электроны теряют направленное движение, а затем опять под действием электрического поля начинают двигаться направленно. В результате средняя скорость упорядоченного движения электронов оказывается пропорциональной напряженности электрического поля в проводнике V~E и, следовательно, разности потенциалов на концах проводника, так как Е=U/l (l-длина проводника, U-разность потенциалов на концах проводника).

Различные вещества по-разному проводят электрический ток. Величина противодействия проводника установлению в нем электрического тока называется сопротивлением проводника. Для того, чтобы узнать зависит ли сопротивление от состояния проводника и его температуры, проведем опыт:

Если пропустить ток от аккумулятора через стальную спираль, а затем начать нагревать ее в пламени горелки, то амперметр покажет уменьшение силы тока.Это означает, что с изменением температуры сопротивление проводника меняется. Итак, опытным путем была получена зависимость сопротивления металлических проводников от температуры. R₁-R₀/R₀=αΔt, где R₁-сопротивление проводника при температуре t, R₀ – сопротивление проводника при температуре 0^оС, α – температурный коэффициент сопротивления проводника. [α]=1К^-1. Это величина, описывающая зависимость сопротивления проводника от температуры, равная относительному изменению сопротивления проводника при нагревании на 1К.

При нагревании можно пренебречь изменения геометрических размеров проводника, следовательно, зная зависимость сопротивления проводника от его длины, его площади поперечного сечения и удельного сопротивления, можно сказать, что сопротивление проводника меняется в основном за счет изменения его удельного сопротивления – величины, описывающей род вещества, из которого изготовлен проводник. Экспериментально найдена зависимость удельного сопротивления проводника от температуры: ρ=ρ₀(1+αΔt)

Увеличение сопротивления можно объяснить тем, что при повышении температуры увеличивается амплитуда колебаний ионов в узлах кристаллической решетки, поэтому свободные электроны сталкиваются с ними чаще, теряя при этом направленность движения.

Сопротивление металлов уменьшается с уменьшением температуры.

Температура, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, называется критической температурой. Это явление было названо сверхпроводимостью.

Физический механизм сверхпроводимости довольно сложен. Упрощенно его можно объяснить так: электроны объединяются в правильную шеренгу и движутся не сталкиваясь с кристаллической решеткой, состоящей из ионов.