Електричний струм в металах

Електричний струм у металах

Вступ. Електри́чний струм — упорядкований, спрямований рух електрично заряджених частинок у речовині чи у вакуумі. Метал - кристал, у вузлах якого розташовані позитивні іони, а між ними хаотично рухаються вільні електрони. Електричний струм у металах являє собою напрямлений рух вільних електронів.

Внутрішня будова металевих провідників. У будь-якому металі частина електронів покидає свої місця в атомі, у результаті чого атом перетворюється на позитивний йон. Позитивні йони та нейтральні атоми в металах розміщуються у строгому порядку, утворюючи так звані кристалічні ґратки. За відсутності електричного поля вільні електрони всередині металевого провідника рухаються хаотично у вигляді електронного газу. У будь-який момент часу швидкості руху різних електронів відрізняються значенням і напрямом. Траєкторією руху електронів є довільні ламані. Негативний заряд усіх вільних електронів за абсолютним значенням дорівнює позитивному заряду всіх йонів кристалічних ґраток. Тому за звичайних умов металевий провідник електрично нейтральний.

Які електричні заряди рухаються під дією електричного поля в металевих провідниках?Природа носіїв зарядів у металах доведена класичними дослідами Рікке. У 1899 р. німецький фізик-експериментатор Карл Рікке на трамвайній підстанції у Штутгарті вмикав у головний провід, яким подавалося живлення трамвайним лініям, послідовно три металевих циліндри, тісно притиснутих один до одного торцями: два крайніх - мідних, а середній - алюмінієвий. Через ці циліндри понад рік проходив електричний струм. У результаті точного зважування до експерименту та після експерименту виявилося, що дифузія в металах не відбулася: у мідних циліндрах не було атомів алюмінію, і навпаки. Таким чином Рікке довів, що під час проходження провідником електричного струму йони не переміщуються, а в різних металах переміщуються лише електрони. Досвід Рікке дозволяє зробити висновок, що струм у металах здійснюється не іонами, а електронами.

Як рухаються вільні електрони?За відсутності у провіднику електричного поля електрони рухаються хаотично, подібно до того, як рухаються молекули газів або рідин. У будь-який момент часу швидкості руху різних електронів відрізняються значенням і напрямком. За наявності у провіднику електричного поля електрони, зберігаючи свій хаотичний рух, починають зміщуватися в напрямку позитивного полюса джерела. Разом з безладним рухом електронів виникає і їх упорядкований рух.

Історична довідка «Досліди Толмена і Стюарта»Прямі свідчення електронної природи струму в металі дали досліди, ідея яких належить американським вченим Стюарту і Толмену. Виконали його в 1913 році, другі в 1916 році.

У досвіді котушка розкручувалася і різко зупинялася. Підключений до неї телефон (а в другому випадку гальванометр) фіксував появу струму в момент зупинки. Він виникав внаслідок інертності електронів. При зупинці вони продовжували деякий час рухатися і створювали струм. Напрямок струму говорило про те, що це негативні заряди рухаються. Тонкі дослідження дозволили визначити відношення маси частинок до їх заряду. Виявилося, що це електрони. Так було доведено, що струм у металах це спрямований рух електронів.

В основу класичної теорії провідності металів покладено такі положення: Усі метали мають кристалічну будову. У вузлах кристалічної ґратки містяться йони металу, які здійснюють тепловий рух біля положень рівноваги. У просторі між йонами хаотично рухаються електрони, сукупність яких називають електронним газом. Електронний газ утворюється електронами, що порівняно слабко зв’язані з атомними ядрами. У середньому кожен атом металу втрачає один електрон, тобто кількість електронів провідності в одиниці об’єму металу дорівнює кількості атомів в одиниці об’ємі. Унаслідок хаотичного руху електронів у разі відсутності електричного поля в металі немає переважного напряму переміщення зарядів. Під дією електричного поля електрони починають напрямлено рухатися між йонами, що містяться у вузлах кристалічної ґратки, утворюючи електричний струм.

У результаті досліджень вдалось оцінити швидкість упорядкованого руху електронів у металевому провіднику. Це значення має порядок 104 м/с. Як видно, це дуже мале значення. З практики відомо, що всі електроприлади, увімкнені в коло, починають працювати відразу після замикання кола, хоч би на якій відстані від перемикача вони розміщувалися. Звідси випливає, що швидкість поширення електричного струму в провіднику і швидкість впорядкованого руху електронів у ньому — це не одне й те саме!

Згідно з електронною теорією тепловий рух електронів не припиняється ніколи, тому електрони з величезними швидкостями рухаються в усіх напрямках. У разі створення на кінцях провідника електричного поля, на електрони починає діяти електрична сила, яка спричинює їх повільне зміщення в напрямку електричного поля. А швидкість поширення самого електричного поля в провіднику становить близько 300 000 км/с. Ми вже знаємо, що при проходженні електричного струму по провіднику виділяється певна кількість тепла.

Чи можна зробити так, щоб електричний струм в провіднику протікав без втрат?Надпровідність – властивість багатьох провідників, що полягає в тому, що їх електричний опір стрибком падає до нуля при охолоджуванні нижче певної критичної температури. Надпровідність неможливо пояснити з погляду елементарної електронної провідності металів. У 1957 р. група американських учених і незалежно від них радянський учений М. М. Боголюбов розробили квантову теорію надпровідності. Найбільш широке реальне застосування надпровідність знаходить при створенні великих електромагнітних систем, бульбашкових водневих камер, великих прискорювачів елементарних частинок. В останні роки явище надпровідності все більш широко використовується при розробці турбогенераторів, електродвигунів, уніполярних машин, топологічних генераторів, жорстких і гнучких кабелів, комутаційних і струмообмежуючих пристроїв, магнітних сепараторів, транспортних систем, накопичувачах енергії, трансформаторів, двигунах та ін.

Висновок. Електричний струм у металах (металевих провідниках) — це впорядкований рух електронів під дією електричного поля, яке створює джерело електричного струму. Електричний струм у металах заснований на русі вільних електронів. Метали є добрими провідниками через наявність цих вільних електронів. Отже,електричний струм у металах являє собою напрямлений рух вільних електронів. За відсутності електричного поля вільні електрони в металах рухаються хаотично. Якщо ж у металевому провіднику створити електричне поле, то вільні електрони, не припиняючи свого хаотичного руху, починають рухатися напрямлено.