Электрический ток в металлах

Содержание

стр.

Введение...................................................................................................... 3

1. Электрический ток в металлах

1.1. Электрическая проводимость металлов.................................... 4

1.2. Электрическая сверхпроводимость металлов.......................... 5

2. Электрический ток в электролита

2.1. Явление электролиза..................................................................... 7

2.2. Законы электролиза Фарадея....................................................... 9

3. Электрический ток в газах

3.1. Ионизация газов. Газовый разряд............................................. 13

3.2. Электрическая дуга и электрическая искра............................ 15

3.3. Электрический ток в разрежённых газах.

Катодные лучи............................................................................. 16

Список литературы................................................................................. 20

Приложение.............................................................................................. 21

Введение.

Электрическим током называют упорядоченное движение электрических зарядов. Электрический ток может возникнуть и существовать в данной среде при следующих условиях: 1) если в неё имеются свободные электрические заряды, т.е. среда является проводником; 2) если в ней создано электрическое поле.

Характер электропроводимости вещества зависит от природы свободных зарядов.

В металлах, или так называемых проводниках первого рода, свободными зарядами являются электроны, которые сорвались с внешних оболочек части атомов металла, превратив в их в положительные ионы.

В жидких растворах, или электролитах, называемых проводниками второго рода, свободными зарядами являются положительные и отрицательные ионы. К электролитам относятся, например, водные растворы солей, кислот и щелочей. Молекулы этих веществ в воде расщепляются на ионы. Ионами называются заряженные частицы, которые представляют собой атомы или группы атомов, потерявшие часть своих электронов или присоединившие к себе лишние электроны.

Газы являются проводниками третьего рода, они обладают ионно-электронной проводимостью. Газ становится проводником, когда он ионизирован, т.е. когда часть его молекул под влиянием внешних воздействий теряет электроны и в газе возникают положительные ионы и электроны.

Электрический ток в металлах.

1.1. Электрическая проводимость металлов.

В начале ХХ века немецким физиком П. Друде (1863-1906) была создана классическая электронная теория проводимости металлов, получившая дальнейшее развитие в работах голландского физика-теоретика Г.А. Лоренца (1853-1928). Её основные положения заключаются в следующем.

С точки зрения электронной теории высокая электрическая проводимость в металлах (электропроводимость металлов) объясняется наличием огромного числа носителей тока – электронов проводимости, перемещающихся по всему объёму проводника. П. Друде предложил, что электроны проводимости в металле можно рассматривать как электронный газ, обладающий свойствами идеального одноатомного газа. При своём движении электроны проводимости сталкиваются с ионами кристаллической решётки металла.

Тепловое движение электронов вследствие своей хаотичности не может привести к возникновению электрического тока.

Под действием внешнего электрического поля в металлическом проводнике возникает упорядоченное движение электронов, т.е. возникает электрический ток.

Средняя скорость упорядоченного движения электронов, обуславливающая наличие электрического тока в проводнике, чрезвычайно мала по сравнению со средней скоростью их теплового движения при обычных температурах. Небольшое значение средней скорости объясняется весьма частыми столкновениями электронов с ионами кристаллической решётки.

Экспериментальное обоснование классической электронной теории. В опытах, выполненных Н.Л. Мандельштамом и Н.Д. Палалекси, а также Стюартом и Толменом, было экспериментально подтверждено, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов. На катушку был намотан медный проводник, присоединённый к баллистическому гальванометру. Катушку приводили в быстрое вращение, а затем резко останавливали. В момент торможения гальванометр показывал кратковременный ток, направление которого свидетельствовало, что он создаётся движением отрицательно заряженных частиц. Эти частицы, были свободными, при торможении кристаллической решётки, массы движутся по инерции и создают ток. Определяя с помощью манометра заряд, проходящий через него за всё время существования тока в цепи. Стюарт и Толмен нашли удельный заряд носителей тока в металле, т.е. отношение заряда частиц к массе. Он равный 1,8 · 10 Кл/кг. Это отношение в пределах ошибки совпадает со значением е/т для электронов, которое было найдено по отклонению пучка электронов в магнитном поле. Таким образом, электрический ток в металлах представляет собою упорядоченное, направленное движение свободных электронов, которое накладывается на их беспорядоченное тепловое движение при включении электрического поля в проводнике.

1.2. Электрическая сверхпроводимость металлов.

В 1911 году голландский физик Г. Камерлинг-Оннес обнаружил, что при постепенном охлаждении сопротивление ртути уменьшается по линейному закону только до температуры 4,15 К, а затем исчезает. Это явление получило название сверхпроводимость. Температуру, при которой ряд веществ переходит в сверхпроводящее состояние, называют критической.

Интересной особенностью сверхпроводящего состояния вещества является то, что с повышением температуры выше критической оно исчезает и вещество переходит в нормальное состояние. Явление сверхпроводимости исследовали во многих физических лабораториях мира, но только в 1985 году удалось найти материалы, которые переходят в сверхпроводящее состояние примерно при 20 К (-253°С). В 1986 году был обнаружен керамический материал, переходивший в сверхпроводящее состояние при температуре 30 К (-243°С). За один год потолок кристаллической температуры был поднят на 10 К. Это послужило толчком к поиску и исследованию керамических материалов, переходящих в сверхпроводящее состояние. Уже в 1987 году были найдены керамики, переходящие в сверхпроводящее состояние при температуре 125 К (-148°С). В настоящее время найдены материалы переходящие в сверхпроводящее состояние при температуре 162 К (-111°С). Последние пять лет исследованием явления сверхпроводимости заняты учёные многих стран мира. Задача этих исследований – найти вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при всё более высоких температурах. Интересно, что в ходе исследований были открыты сверхпроводящие полимеры.

Явление сверхпроводимости нашло широкое применение в современной технике. Так, например, уже построены и действуют генераторы электрического тока, магнитное поле и т.д.

Электронная теория проводимости металлов не смогла объяснить явление сверхпроводимости. Это явление было объяснено с позиций квантовой физики.