Свободные носители заряда в металлах

Носители тока в металлах – свободные электроны (электроны, почти не связанные с ионами кристаллической решетки). Это представление основывается на электронной теории проводимости металлов, также на ряде опытов, подтверждающих ее положения.

Опыт Рикке

Электрический ток пропускался в течение года через три последовательно соединенных с кропотливо отшлифованными торцами цилиндра (медь, алюминий, медь) одинакового радиуса. В итоге, никаких, даже микроскопичных следов переноса вещества не обнаружилось: поэтому, ионы в металлах не участвуют в переносе электричества, а перенос заряда в металлах осуществляется частичками, которые являются общими для всех металлов. Такими частичками были бы открытые Д. Томсоном (1897 г) электроны.

Опыты Стюарта и Толмена

(мысль Мандельштама и Папалекси)

Катушка с огромным числом витков, замкнутая на чувствительный гальванометр, приводилась в резвое вращение вокруг собственной оси, а потом резко тормозилась.

Если в металле имеются подвижные, почти не связанные с решеткой носители тока, то при резком торможении проводника эти частички должны по инерции сдвигаться вперед, как смещаются вперед пассажиры, стоящие в вагоне при его торможении. Результатом смещения зарядов должен быть импульс тока, что и наблюдалось: по направлению тока можно найти символ носителей тока, а зная размеры и сопротивление проводника, можно вычислить удельный заряд носителей. Оказалось, что значения удельного заряда и массы носителей тока и электронов, перемещающихся в вакууме, совпали. Таким макаром, было совсем подтверждено, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.

В узлах кристаллической решетки размещаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя типичный электронный газ,владеющий, согласно электронной теории металлов, качествами безупречного газа.

Магнитное поле –силовое поле в пространстве, окружающем токи и неизменные магниты.

Магнитное поле находится по силовому действию на внесенные в него проводники с током либо неизменные магниты.

Соответствующая особенность магнитного поля– магнитное поле создается только перемещающимися зарядами и действует лишь на перемещающиеся в этом поле электрические заряды.

Электрическое поле создается и действует как на недвижные, так и подвижные заряды.

Нрав воздействия магнитного поля на ток находится в зависимости от формы проводника, по которому течет ток, от расположения проводника и от направления тока.

Дабы охарактеризовать магнитное поле, нужно разглядеть его действие на определенный ток. Для исследования магнитного поля применяется контур, линейные размеры которого малы по сопоставлению с расстоянием до токов, образующих магнитное поле. Ориентация контура в пространстве характеризуется направлением нормали к контуру. Направление нормали определяется правилом правого винта: за положительное направление нормали принимается направление поступательного движения винта, головка которого крутится в направлении тока, текущего в рамке.

За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого размещается положительная нормаль к свободно подвешенной рамке с током, либо направление, совпадающее с направлением силы, действующей на северный полюс магнитной стрелки, помещенный в данную точку. Поэтому, на магнитную стрелку действует пара сил, поворачивающая её так, дабы ось стрелки, соединяющая южный полюс с северным, совпадала с направлением поля.

Носители электрического тока

Электричество в наши деньки принято определять как "электрические заряды и связанные с ними электромагнитные поля". Само существование электрических зарядов находится через их силовое воздействие на другие заряды. Место вокруг всякого заряда обладает особенными качествами: в нем действуют электрические силы, проявляющиеся при внесении в это место других зарядов. Такое место является силовым электрическим полем.

Пока заряды недвижны, место между ними обладает качествами электрического (электростатического) поля. Но когда заряды движутся, то вокруг них появляется также магнитное поле. Мы рассматриваем порознь характеристики электрического и магнитного полей, но в реальности электрические процессы всегда связаны с существованием электромагнитного поля.

Мелкие электрические заряды входят как составные части в атом. Атом есть меньшая часть хим элемента, являющаяся носителем его хим параметров. Атом является очень сложной системой. Его масса в большей собственной части сосредоточена в ядре. Вокруг последнего по определенным орбитам обращаются электрически заряженные простые частички — электроны.

Силы тяготения задерживают на орбитах планетки, обращающиеся вокруг солнца, а электроны притягиваются к ядру атома электрическими силами. Из опыта понятно, что взаимно притягиваются только разноименные заряды. Поэтому, заряды ядра атома и электронов должны быть разными по знаку. По историческим причинам принято считать заряд ядра положительным, а заряды электронов — отрицательными.

Бессчетные опыты проявили, что электроны атомов всех частей владеют одинаковым электрическим зарядом и одинаковой массой. Вкупе с тем заряд электрона является простым, т. е. минимальным вероятным электрическим зарядом.

Принято различать электроны, находящиеся на внутренних орбитах атома и на наружных орбитах. Внутренние электроны относительно крепко удерживаются на собственных орбитах внутриатомными силами. Но наружные электроны относительно просто могут отделяться от атома и оставаться некоторое время свободными либо присоединяться к другому атому. Хим и электрические характеристики атома определяются электронами его наружных орбит.

Величина положительного заряда ядра атома определяет принадлежность атома к определенному хим элементу. Атом (либо молекула) электрически нейтральны, пока сумма отрицательных зарядов электронов равна положительному заряду ядра. Но атом, потерявший один либо несколько электронов, оказывается заряженным положительно вследствие излишка положительного заряда ядра. Он может передвигаться под действием электрических сил (притягиваться либо отталкиваться). Таковой атом является положительным ионом. Атом, захвативший лишние электроны, становится отрицательным ионом.

Носителем положительного заряда в ядре атома является протон. Это простая частичка, служащая ядром атома водорода. Положительный заряд протона численно равен отрицательному заряду электрона, но масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Ядра атомов, не считая протонов, содержат также нейтроны — частички, не владеющие электрическим зарядом. Масса нейтрона в 1838 раз больше массы электрона.

Таким макаром, из 3-х простых частиц, образующих атомы, электрическими зарядами владеют только электрон и протон. Но из них только заряженные негативно электроны могут просто передвигаться снутри вещества, а положительные заряды в обыденных критериях могут передвигаться только в виде томных ионов, т. е. перенося атомы вещества.

Упорядоченное движение электрических зарядов, т. е движение, имеющее преобладающее направление в пространстве, образует электрический ток. Частичками, движение которых делает электрический ток, — носителями тока почти всегда являются электроны и существенно пореже — ионы.

Допуская некоторую некорректность, можно определять ток как направленное движение электрических зарядов. Носители тока могут более либо наименее свободно передвигаться в веществе.

Проводниками именуются вещества, относительно отлично проводящие ток. К числу проводников принадлежат все металлы, в особенности неплохими проводниками являются серебро, медь и алюминий.

Проводимость металлов разъясняется тем, что в них часть наружных электронов отщепляется от атомов. Положительные опыты, образовавшиеся вследствие утраты этих электронов, связаны в кристаллическую решетку — жесткий (ионный) скелет, в промежутках которого находятся свободные электроны в форме собственного рода электронного газа.

Мельчайшее наружное электрическое поле делает в металле ток, т. е. вынуждает свободные электроны перемешаться в направлении действующих на них электрических сил. Для металлов типично уменьшение проводимости с повышением температуры.

Полупроводники проводят электрический ток существенно ужаснее, чем проводники. К числу полупроводников принадлежит очень огромное число веществ, и характеристики их очень многообразны. Соответствующим для полупроводников является электронная проводимость (т, е. ток в них создается, как и в металлах, направленным перемещением свободных электронов — не ионов) и, в отличие от металлов, повышение проводимости при повышении температуры. Вообщем для полупроводников свойственна также мощная зависимость их проводимости от наружных воздействий — облучения, давления и т. п.

Диэлектрики (изоляторы) фактически не проводят ток. Наружное электрическое поле вызывает поляризацию атомов, молекул либо ионов диэлектриков, т. е. смещение под действием наружного поля упруго связанных зарядок, входящих в состав атома либо молекулы диэлектрика. Количество свободных электронов в диэлектриках сильно мало.

Нельзя указать жесткие границы между проводниками, полупроводниками и диэлектриками. В электротехнических устройствах проводники служат методом для перемещения электрических зарядов, а диэлектрики необходимы, дабы навести подабающим образом это движение.

Электрический ток создается вследствие воздействия на заряды сил неэлектростатического происхождения, именуемых посторонними силами. Они делают в проводнике электрическое поле, которое вынуждает положительные заряды передвигаться по направлению деяния сил поля, а отрицательные заряды — электроны — в обратном направлении.

Полезно уточнить представление о поступательном движении электронов в металлах. Свободные электроны находятся в состоянии хаотичного движения в пространстве между атомами, под оборотном термическому движению молекул. Термическое состояние тела обусловливается столкновениями молекул вместе и столкновениями электронов с молекулами.

Электрон сталкивается с молекулами и меняет направление собственного движения, но равномерно все таки продвигается вперед, описывая очень сложную кривую. Долгое перемещение заряженных частиц в одном определенном направлении, налагающееся на их хаотичное движение в различных направлениях, именуется их дрейфом. Таким макаром, электрический ток в металлах, по современным мнениям, является дрейфом заряженных частиц.

Видео: Урок 183 (осн). Электрический ток в металлах