Електрична провідність різних речовин

У цій главі ви познайомитеся з фізичними процесами, які зумовлюють проходження струму в різних середовищах.

Як рухаються електрони в металевому провіднику, коли в ньому немає електричного поля?

Як змінюється рух електронів, коли до металевому провіднику прикладають напругу?

Електричний струм проводять тверді, рідкі та газоподібні тіла. Чим ці провідники відрізняються один від одного?

Ми познайомилися з електричним струмом в металевих провідниках і з встановленою експериментально вольт-амперної характеристикою цих провідників – законом Ома.

Поряд з металами хорошими провідниками, т. Е. Речовинами з великою кількістю вільних заряджених частинок, є водні розчини або розплави електролітів і іонізований газ – плазма. Ці провідники широко використовуються в техніці.

У вакуумних електронних приладах електричний струм утворюють потоки електронів.

Металеві провідники знаходять саме широке застосування в передачі електроенергії від джерел струму до споживачів. Крім того, ці провідники використовуються в електродвигунах і генераторах, електронагрівальних приладах і т. Д.

Крім провідників і діелектриків (речовин з порівняно невеликою кількістю вільних заряджених частинок), є група речовин, провідність яких займає проміжне положення між провідниками і діелектриками. Ці речовини не настільки добре проводять електрику, щоб їх назвати провідниками, але й не настільки погано, щоб їх віднести до діелектриків. Тому вони отримали назву напівпровідників.

Довгий час напівпровідники не грали помітної практичної ролі. У електротехніці і радіотехніці застосовували виключно різні провідники та діелектрики. Положення істотно змінилося, коли спочатку була передбачена теоретично, а потім виявлена ​​і вивчена легкоосуществімая можливість управління електричну провідність напівпровідників.

Електронна провідність металів. Почнемо з металевих провідників. Вольт-амперна характеристика цих провідників нам відома, але поки нічого не говорилося про її поясненні з погляду молекулярнокінетіческой теорії.

Важливо
Носіями вільних зарядів у металах є електрони. Їх концентрація велика – близько 10 28 січня / м 3.

Л. І. Мандельштам
Ці електрони беруть участь в хаотичному тепловому русі. Під дією електричного поля вони починають переміщатися впорядковано з середньою швидкістю порядку 10-4 м / с.

Експериментальне доказ існування вільних електронів у металах. Експериментальне доказ того, що провідність металів обумовлена ​​рухом вільних електронів, було дано в дослідах Мандельштама і Папалексі (1913), Стюарта і Толмена (1916). Схема цих дослідів така.

На котушку намотують дріт, кінці якої припаюють до двох металевим дискам, ізольованим один від одного (рис. 16.1). До кінців дисків за допомогою ковзних контактів підключають гальванометр.

Котушку приводять у швидке обертання, а потім різко зупиняють. Після різкої зупинки котушки вільні заряджені частинки деякий час рухаються щодо провідника за інерцією, і, отже, в котушці виникає електричний струм. Ток існує незначний час, так як із-за опору провідника заряджені частинки гальмуються і впорядкований рух частинок, що утворить струм, припиняється.

Напрямок струму в цьому досвіді говорить про те, що він створюється рухом негативно заряджених частинок. Стерпний при цьому заряд пропорційний відношенню заряду частинок, що створюють струм, до їх маси, т. Е. | Q | / m. Тому, вимірюючи заряд, що проходить через гальванометр за час існування струму в ланцюзі, вдалося визначити це відношення. Воно виявилося рівним 1,8 • 1011 Кл / кг. Ця величина збігалася з відношенням заряду електрона до його маси е / m, знайденим раніше з інших дослідів.

Важливо
Сила струму в провіднику пропорційна швидкості впорядкованого руху частинок (див. Формулу (15.2)). Тому можемо сказати, що сила струму пропорційна різниці потенціалів на кінцях провідника: I ~ U.

У цьому полягає якісне пояснення закону Ома на основі електронної теорії провідності металів.

Побудувати задовільну кількісну теорію руху електронів в металі на основі законів класичної механіки неможливо. Справа в тому, що умови руху електронів в металі такі, що класична механіка Ньютона непридатна для опису цього руху. Цей факт підтверджує, наприклад, залежність опору від температури. Відповідно до класичної теорії металів, в якій рух електронів розглядається на основі другого закону Ньютона, опір провідника пропорційно експеримент ж показує лінійну залежність опору від температури.

Посилання на основну публікацію