Меню

Какое действие тока наблюдается при полярном сиянии

Действия электрического тока

Мы не обладаем возможностью увидеть электроны, бегущие по проводнику. Как же тогда можно обнаружить ток в проводнике? Наличие электрического тока можно обнаружить по косвенным признакам. Так как, ток, протекая по проводнику, оказывает воздействие на него.

Вот некоторые из признаков:

  1. тепловой;
  2. химический;
  3. магнитный.

Тепловое действие тока

Благодаря такому действию тока мы можем освещать помещения с помощью ламп накаливания. А, так же, используем различные нагревательные электроприборы – конвекторы, электроплиты, утюги (рис. 1).

Используя метровый кусок никелиновой проволоки (рис. 2), можно продемонстрировать нагревание проводника при протекании по нему электрического тока. Для заметного провисания нагретой проволоки из-за теплового увеличения длины и наблюдения красноватого ее свечения будет достаточно тока в 2 — 3 Ампера.

Кусок провода нагревается, когда по нему протекает электрический ток. Чем больше ток в проводнике, тем больше он нагреется. Длина нагретого проводника увеличивается.

Подробнее о выделившемся количестве теплоты можно прочитать в статье о законе Джоуля-Ленца (ссылка).

Примечание: Нихром, никелин, константан – сплавы металлов, обладающие большим удельным сопротивлением (ссылка). Проволоки, изготовленные из таких сплавов, используются в различных нагревательных электроприборах.

Химическое действие тока

Электрический ток, проходя через растворы некоторых кислот, щелочей или солей, вызывает выделение из них вещества. Это вещество осаждается на электродах – пластинках, опущенных в раствор и подключенных к источнику тока.

Такое действие тока используют в гальванопластике – покрытии металлом некоторых поверхностей. Применяют никелирование, омеднение, хромирование, а, так же, серебрение и золочение поверхностей.

С помощью раствора медного купороса можно продемонстрировать выделение вещества под действием тока. Водный раствор этой соли имеет голубоватый оттенок. Пропуская электрический ток (ссылка) через раствор, можно обнаружить выделение меди на одном из электродов (рис. 3).

На каком электроде будет выделяться медь

Медь в растворе купороса присутствует в виде положительных ионов. Тела, имеющие разноименные заряды, притягиваются. Поэтому, ионы меди будут притягиваться к пластинке, имеющей заряд со знаком «минус». То есть, пластинке, подключенной к отрицательному выводу источника тока. Такую пластинку называют отрицательным электродом, или катодом.

Вторую пластинку, подключенную к положительному выводу батареи, называют анодом.

Примечание: Медный купорос можно найти в хозяйственном магазине. Его химическая формула \(\large CuSO_<4>\). Он используется в сельском хозяйстве для опрыскивания листвы плодовых деревьев, кустарников и овощных культур – к примеру, томатов, картофеля. Входит в составы различных растворов, применяемых в борьбе с болезнями растений и насекомыми-вредителями.

Применение химического действия тока в медицине

Химическое действие тока применяют не только в гальванопластике.

Пропускание электрического тока через растворы вызывает в них движение заряженных частиц вещества – положительных и отрицательных ионов. Человеческое тело содержит жидкости, в которых растворены некоторые вещества. А значит, в таких жидкостях присутствуют ионы.

Прикладывая специальные электроды, смоченные растворами лекарств на отдельные участки тела, и пропуская через них маленькие токи, можно вводить в организм некоторые лекарственные препараты (рис. 4).

Химическое действие тока применяют в медицине

Такое введение лекарств называют электрофорезом и используется в физиопроцедурных кабинетах поликлиник и санаториев.

Магнитное действие тока

Медь сама по себе не притягивается к магниту. В этом можно убедиться с помощью небольшого магнита и кусочка медного провода (рис. 5а).

На рисунке 5 кусок медного провода подвешен к двум штативам с помощью тонких нитей, не проводящих электрический ток.

Однако, во время протекания электрического тока, медный проводник начинает взаимодействовать с магнитом — притягиваться, или отталкиваться от него (рис. 5б).

С магнитом взаимодействует не сам медный проводник, а ток, протекающий по этому проводнику.

Почему проводок с током взаимодействует с магнитом

Электрический ток — это большое количество электронов, бегущих по проводку от одного его края к другому краю. Электроны обладают зарядом.

Вокруг движущихся зарядов возникает магнитное поле. Благодаря этому проводок с током превращается в маленький магнитик. И начинает взаимодействовать с магнитом, притягиваясь к нему, или отталкиваясь от него.

При этом, проводок, как более легкий предмет, будет двигаться. А магнит продолжит оставаться на месте. Из-за того, что его масса значительно больше массы кусочка провода.

Направление движения проводка зависит от полярности его подключения к батарейке и, от того, как располагаются полюса магнита.

На магнитном действии тока основано действие электромагнита.

Самодельный электромагнит

Его легко изготовить из куска гибкой изолированной медной проволоки и железного гвоздя.

Гвоздь нужно обернуть кусочком бумаги – гильзой (рис. 6). Затем на гильзу нужно намотать 200 – 300 витков тонкого медного провода в изоляции. К выводам полученной катушки нужно подключить батарейку от карманного электрического фонаря.

Во время протекания тока, к гвоздю притягиваются различные мелкие железные предметы – скрепки, кнопки, гвоздики, железные стружки, опилки и т. п.

Отсоединив батарейку, увидим, что как только ток прекращается, гвоздь перестает притягивать к себе железные предметы.

Рамка с током и подковообразный магнит

Провод, обладающий достаточной жесткостью, можно изогнуть в виде плоской фигуры – прямоугольника, квадрата, окружности. Эластичные же провода навивают на жесткий каркас, изготовленный из подходящего материала – фанеры, картона, пластмассы и т. д. Такой изогнутый провод образует рамку. Проволочную рамку часто называют контуром.

Проволочная рамка, по которой течет электрический ток, может ориентироваться в магнитном поле.

Чтобы убедиться в этом, проведем такой эксперимент. Используем для него подковообразный магнит и проводник, изогнутый в виде прямоугольной рамки. Подвесим рамку к лапке штатива с помощью нити. Размеры рамки нужно выбрать так, чтобы она поместилась между полюсами магнита.

Сначала используем только подвешенную рамку (рис. 7а), без магнита. Подключим к рамке источник тока. Можно убедиться, что после подключения тока рамка продолжает висеть неподвижно. Отключим источник тока.

Теперь поместим магнит так, чтобы рамка находилась между его полюсами (рис. 7б) и, пропустим по цепи электрический ток. Легко заметить, что во время протекания тока рамка поворачивается и ориентируется по магнитному полю. А когда цепь размыкается, рамка возвращается в первоначальное положение.

Примечание: Если изменить полярность подключения источника к рамке, то она будет поворачиваться в противоположную сторону.

Замечательное свойство рамки с током поворачиваться в магнитном поле, используют в различных измерительных приборах. Один из таких приборов – гальванометр.

Устройство гальванометра

Гальванометром прибор назвали в честь итальянского физика и врача Луиджи Гальвани. Этот прибор способен измерять маленькие электрические токи (постоянные).

На схемах прибор обозначают кружком, внутри которого расположена большая латинская буква G. На некоторых схемах внутри круга находится стрелка, направленная вертикально вверх.

  • подковообразный магнит и
  • находящуюся внутри него рамку, содержащую витки тонкого медного провода (рис. 8).

Подвижная рамка находится на оси и может вокруг нее поворачиваться.

К рамке прикреплена стрелка. Она указывает, на какой угол рамка повернулась во время протекания в ней электрического тока.

Угол поворота отмечают по делениям шкалы.

Кто такой Луиджи Гальвани

Гальвани был одним из основателей учения об электричестве.

Обнаружил, что в местах контакта различных видов металлов возникает электрическое напряжение.

Проводил опыты с использованием железного ключа и серебряной монеты.

Изучал сокращения мышц под воздействием электричества и пришел к выводу, что мышцы управляются электрическими импульсами, поступающими по нервным волокнам из мозга.

В итальянском городе Болонья неподалеку от здания Болонского университета находится памятник Гальвани. Он находится на площади Piazza Luigi Galvani, носящей имя ученого.

В его честь, так же, назвали один из кратеров на обратной стороне Луны.

А Болонский лицей назван именем Гальвани еще с 1860-го года.

О приборах магнитоэлектрической системы

Такие приборы, содержащие проводящую рамку и небольшой магнит, называют приборами магнитоэлектрической системы. Они получили широкое распространение из-за своего сравнительно простого устройства.

Читайте также:  Массажер с импульсным током

Шкалы приборов можно градуировать в различных единицах измерения, в зависимости от измеряемых физических величин. На основе таких приборов изготавливают вольтметры, амперметры, омметры и т. п.

Источник

Все, что вы хотели знать о полярных сияниях, но боялись спросить. Что такое полярное сияние, где его найти и как не пропустить

Полярное сияние возникает благодаря солнечному ветру: протоны и электроны, которые родились на Солнце, преодолевают путь в 150 000 000 км и попадают в верхние слои атмосферы Земли. Там они, двигаясь вдоль силовых линий магнитного поля планеты, переносятся в сторону полюсов. Когда эти частицы опускаются до высоты 400—100 км над уровнем моря, они начинают взаимодействовать с атомами азота и кислорода, возбуждая их. Для того чтобы вернуться в первоначальное состояние, атомы излучают энергию в виде квантов света в ультрафиолетовом, инфракрасном и видимом свете. Спектр излучения веществ в атмосфере определяет цвет полярных сияний: например, за зеленый цвет отвечает кислород, а за фиолетовый — азот.

Спектр излучения полярного сияния. Изображение: www.atoptics.co.uk, перевод: «Чердак»

Некоторые наблюдатели отмечают, что интенсивные полярные сияния сопровождаются свистящими звуками и легким треском. И действительно, ученым из финского института Аальто в 2012 году удалось зарегистрировать легкие хлопки во время свечения атмосферы, однако они не поспешили однозначно связывать записанные звуки с сиянием.

Полярное сияние многие называют северным, и это не ошибка, а частный случай явления. Свечение атмосферы чаще всего наблюдают именно на севере России, Норвегии или Канады, а увидеть его на юге гораздо сложнее, потому что суши на нужных широтах Южного полушария не так уж много.

А вот на самих полюсах северного сияния не видно. Сияния наблюдаются на территориях так называемой авроральной зоны. Она имеет форму колец, смещенных на ночную сторону Земли, с центрами в магнитных полюсах планеты. Они не совпадают с географическими: так, северный магнитный полюс с начала XVII века находится на севере Канады и движется в сторону России.

Перемещение северного магнитного полюса Земли с начала XVII века. Красные точки — наблюдавшиеся положения, синие — расчетные положения. Изображение: Cavit / Wikimedia Commons

Интенсивность полярных сияний сильно зависит от солнечной активности, которая, в свою очередь, не постоянна, а циклически меняется. Обычно кульминация приходится на окончание 11-летнего солнечного цикла. Именно тогда и наблюдаются самые эффектные зрелища.

Многие знают, что полярное сияние Земли видно даже из космоса, и притом лучше, чем с поверхности планеты, так как наблюдателю не мешают ни солнце, ни облака, ни искажающее влияние нижних слоев атмосферы. Вот так выглядит аврора с борта МКС:

Но Земля — не единственная планета Солнечной системы, которой повезло приютить полярные сияния. Магнитные поля планет-гигантов мощнее земного, и сияния там интенсивнее. Однако, если планета обращена к земному наблюдателю освещенной стороной, свечение атмосферы будет теряться в рассеянном солнечном свете. Тем не менее с помощью космических телескопов ученым удается получить достаточно четкие изображения полярных сияний на других планетах. Так, в середине прошлого года NASA опубликовало съемку полярных сияний на Юпитере с телескопа «Хаббл». Размер авроральной зоны на снимках втрое превышает диаметр Земли.

Полярное сияние на Юпитере. Видео: NASA, ESA, J. Nichols (University of Leicester), and G. Bacon (STScI)

Так или иначе, полярные сияния были зафиксированы у всех газовых гигантов. А вот среди планет земной группы не повезло только Меркурию: из-за своей близости к Солнцу он лишился атмосферы и заряженным частицам не с чем взаимодействовать. Венера и Марс не имеют глобального магнитного поля, однако локальные сияния наблюдаются и там. Более того, недавно ученым удалось обнаружить экзопланету LSR J1835+3259, на которой, предположительно, появляются ярко-красные сияния.

Как сделать

Полярное сияние можно вызвать и искусственным путем. Так, например, в 1975 году Советский Союз и Франция провели эксперимент под названием ARAKS (Artificial Radiation and Auroral Kerguelen — Soviet Union). С архипелага Кергелен в Индийском океане ученые запустили ускоритель частиц, который на высоте нескольких сотен километров испускал электроны. Двигаясь вдоль силовых линий магнитного поля Земли, эти электроны попали в Северное полушарие и вызвали искусственное полярное сияние над Архангельской областью. Погода не позволила наблюдать явление с поверхности Земли, но оно было зарегистрировано приборами.

Полярные сияния можно смоделировать даже в небольшой лаборатории. Французские ученые создали специальное устройство, которое имитирует условия в атмосфере Земли на высоте 80 километров — магнитные поля, потоки заряженных частиц, радиационные пояса и бедный кислородом разреженный воздух. С помощью установки можно воссоздать сияния, возникающие не только в атмосфере Земли, но и в атмосферах других планет.

Лабораторная модель полярных сияний. Фото: David Monniaux / Université Paris-Sud

Как не пропустить

Чтобы оценить вероятность возникновения сияний, используют несколько индексов и параметров. В первую очередь, это K-индекс — отклонение магнитного поля Земли от нормы в течение трехчасового интервала. Его измеряют на 13 специальных геомагнитных обсерваториях, из которых ближайшая к Европейской части России находится в Швеции. Индекс принимает значения от 0 до 9, где 0 — минимальная солнечная активность, 9 — сильнейшая магнитная буря, которая случается не больше четырех раз за 11-летний цикл.

На сервисах, которые прогнозируют сияния, также используют Kp-индекс. Приставка «p» означает «planetary», то есть это K-индекс, рассчитанный в среднем по планете. Если он высок, то где-то точно сияет, только это «где-то» может быть в другой части света, а не у вас над головой.

Нижняя граница авроральной зоны при разных значениях Kp-индекса. Изображение: NOAA / SEC Boulder CO, USA

Стоит отметить, что при повышении значений индексов авроральная зона в Северном полушарии смещается на юг, то есть вы можете увидеть сияние в средней полосе России, в то время как на Кольском полуострове на небе будет спокойно.

Узнать значения всех этих индексов можно на сайте www.aurora-service.eu или, воспользовавшись аналогичными приложениями, в AppStore или GooglePlay.

Итак, что же сделать, чтобы увидеть полярное сияние своими глазами? Сперва нужно забраться подальше на север, лучше — выше 70° северной широты. Причем сделать это желательно в период с ноября по февраль — именно в это время вероятность застать сияние максимальна. К тому же зимой на севере ночь длится не меньше 18—20 часов и солнце не будет мешать наблюдениям. Также стоит отъехать подальше от городов, световое загрязнение которых может полностью скрыть слабое свечение атмосферы у горизонта. Для наблюдений нужна ясная погода, чтобы облака в прямом смысле не встали между вами и сиянием. Оценить вероятность появления авроры можно, посмотрев коэффициенты солнечной активности: если Kp-индекс превысил значение 4, смело выбирайтесь на улицу. Сияние будет длиться от 10 минут до нескольких часов.

Территория России открывает большие возможности для наблюдения северных сияний. Однако значительная часть авроральной зоны страны приходится на труднодоступную местность с суровым климатом. Так что идеальным местом для наблюдений сияний является Кольский полуостров. До Мурманска можно добраться на самолете или поезде, а теплое Северо-Атлантическое течение обеспечит умеренный арктический климат. Во время охоты за сияниями можно также посмотреть село Териберка, где прошли основные съемки фильма «Левиафан». Это единственное место в России, где до Северного Ледовитого океана можно добраться по автомобильной дороге.

Берег Северного Ледовитого океана в окрестностях Териберки. Фото: Вадим Куликов

Для тех, кто хочет совместить наблюдение с поездкой за границу, подойдут норвежские города Тромсе и Алта, шведский Абиску и большая часть территории Исландии. Интересный вариант предлагает курорт Какслауттанен в Финляндии: гостей селят в теплых иглу с прозрачной крышей и сияние можно наблюдать, не выходя на холод.

Заснять полярное сияние можно даже на любительский фотоаппарат. Главное, не забыть взять штатив: яркие кадры получаются при выдержке в несколько секунд. Также стоит запастись пультом или спусковым тросиком для камеры и дополнительными аккумуляторами: на морозе литий-ионные батареи разряжаются очень быстро.

Читайте также:  Ток коммутации контактов реле

И главный совет, который можно дать охотникам за полярными сияниями: одевайтесь теплее — вам предстоит провести на морозе многие часы. Тем не менее возможность своими глазами увидеть одно из чудес природы определенно стоит того.

Источник

Тест с ответами: “Электростатика”

1. Когда происходит электризация тел:
а) в результате химической реакции
б) при соприкосновении заряженного и незаряженного тела +
в) оба варианта правильные

2. Как изменится сила кулоновского взаимодействия двух точечных зарядов при уменьшении между ними расстояния в 3 раза и увеличении обоих зарядов в 3 раза:
а) увеличится в 81 раз +
б) уменьшится в 9 раз
в) увеличится в 9 раз

3. При изменении расстояния между двумя точечными электрическими зарядами сила взаимодействия уменьшилась в 16 раз. Как изменилось расстояние между зарядами:
а) уменьшилось в 2 раза
б) увеличилось в 4 раза
в) уменьшилось в 4 раза +

4. Какое из действий тока наблюдается, если намотать на гвоздь провод и присоединить проводники к аккумулятору, то гвоздь намагничивается:
а) магнитное действие +
б) химическое действие
в) тепловое действие

5. При Полярном сиянии наблюдается такое действие тока:
а) механическое
б) магнитное
в) световое +

6. Какие частицы расположены в узлах кристаллической решетки металлов и какой у них заряд:
а) электроны, имеющие отрицательный заряд
б) ионы, имеющие положительный заряд +
в) ионы, имеющие отрицательный заряд

7. В обычных условиях металлы электрически нейтральны. Это можно объяснить тем, что в них:
а) нет электрических зарядов
б) отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов +
в) нет верного ответа

8. Что условно принято за направление тока:
а) от «+» к «-» источника +
б) от «-» к «+» источника
в) нет верного ответа

9. Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то о какой скорости идет речь:
а) скорость движения отдельных электронов
б) скорость распространения электрического поля +
в) нет верного ответа

10. Силой тока называют физическую величину, которая определяется электрическим зарядом, проходящим через:
а) поперечное сечение проводника
б) единичное поперечное сечение проводника за одну секунду
в) поперечное сечение проводника за одну секунду +

11. Силу тока измеряет:
а) Амперметр +
б) Динамометр
в) Вольтметр

12. Необходимо указать единицу измерения силы тока:
а) Ньютон
б) Ампер +
в) Джоуль

13. В 25 мА столько Ампер:
а) 250 А
б) 2500 А
в) 0,025 А +

14. В 0,25 А столько миллиампер:
а) 250 мА +
б) 0,25 мА
в) 25 мА

15. В 0,25 мА столько микроампер:
а) 2,5 мкА
б) 0,25 мкА
в) 250 мкА +

16. Какие носители зарядов создают электрический ток в металлических проводниках:
а) отрицательные ионы
б) электроны +
в) положительные ионы

17. Ток в металлах можно обнаружить по такому действию:
а) механическому
б) магнитному
в) тепловому +

18. Как движутся в металле электроны:
а) от «-» к «+» +
б) от «+» к «-»
в) нет верного ответа

19. Величина, которая характеризует ток:
а) электрический заряд
б) удельное сопротивление
в) напряжение +

20. Электрический заряд измеряется в:
а) Ом.
б) Кл. +
в) А.

21. Каким прибором измеряется сопротивление в электрической цепи:
а) омметр +
б) вольтметр
в) электрический счетчик

22. В металлах в пространстве между атомами движутся:
а) положительные ионы
б) отрицательные ионы
в) свободные электроны +

23. Необходимо измерить силу тока в лампе и напряжение к ней. Как должен быть включен по отношению к лампе вольтметр:
а) параллельно +
б) последовательно
в) без разницы

24. Как поменяется яркость свечения электрической лампы при замене всех медных соединительных проводников на нихромовые:
а) увеличится
б) уменьшится +
в) не поменяется

25. Электрическая лампа рассчитана на напряжение 220 В и силу тока 0,45 А. Мощность тока в лампе равна:
а) 100 Вт
б) 4100 Вт
в) 99 Вт +

26. В паспорте электрической плитки имеется надпись:«0,55 кВт, 220 В». Сила тока при указанном напряжении равна:
а) 58,4 А
б) 2,5 А +
в) 5 А

27. Электрический паяльник рассчитан на напряжение 127 В и силу тока 0,5 А. Чему равна работа тока в паяльнике за 10 минут:
а) 38,1 кДж +
б) 2 кДж
в) 10,58 кДж

28. В каком из приведённых ниже случаев на практике используется параллельное соединение:
а) подключение амперметра
б) подключение вольтметра +
в) предохранители

29. Работа электрического тока измеряется в таких единицах:
а) Вт.
б) Дж.
в) кВт*час +

30. Прибор, которым в электрической цепи измеряется работа тока:
а) электрический счетчик +
б) вольтметр
в) ваттметр

Источник



Электрический ток в металлах

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.

Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты (1913 г.) принадлежат русским физикам Л.И. Мандельштаму и Н.Д. Папалекси В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.

Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рис. 1.12.1. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру Г. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.

Схема опыта Толмена и Стюарта

При торможении вращающейся катушки на каждый носитель заряда e действует тормозящая сила которая играет роль сторонней силы, то есть силы неэлектрического происхождения. Сторонняя сила, отнесенная к единице заряда, по определению является напряженностью Eст поля сторонних сил:

Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая сила , равная

где l – длина проволоки катушки. За время торможения катушки по цепи протечет заряд q, равный

Здесь I – мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, υ – начальная линейная скорость проволоки.

Отсюда удельный заряд e / m свободных носителей тока в металлах равен:

Все величины, входящие в правую часть этого соотношения, можно измерить. На основании результатов опытов Толмена и Стюарта было установлено, что носители свободного заряда в металлах имеют отрицательный знак, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было установлено, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.

По современным данным модуль заряда электрона (элементарный заряд) равен

а его удельный заряд есть

Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема.

Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории. Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла (рис. 1.12.2).

Читайте также:  Как электроны передают электрический ток

Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов

Из-за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так называемый потенциальный барьер. Высота этого барьера называется работой выхода. При обычных (комнатных) температурах у электронов не хватает энергии для преодоления потенциального барьера.

Из-за взаимодействия с кристаллической решеткой потенциальная энергия выхода электрона внутри проводника оказывается меньше, чем при удалении электрона из проводника. Электроны в проводнике находятся в своеобразной «потенциальной яме», глубина которой и называется потенциальным барьером.

Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в тепловом движении. Ионы совершают тепловые колебания вблизи положений равновесия – узлов кристаллической решетки. Свободные электроны движутся хаотично и при своем движении сталкиваются с ионами решетки. В результате таких столкновений устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это позволяет оценить среднюю скорость теплового движения электронов по формулам молекулярно-кинетической теории. При комнатной температуре она оказывается примерно равной 10 5 м/с.

При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток. Среднюю скорость дрейфа можно оценить из следующих соображений. За интервал времени Δt через поперечное сечение S проводника пройдут все электроны, находившиеся в объеме

Число таких электронов равно , где n – средняя концентрация свободных электронов, примерно равная числу атомов в единице объема металлического проводника. Через сечение проводника за время Δt пройдет заряд Отсюда следует:

или

Концентрация n атомов в металлах составляет 10 28 –10 29 м –3 .

Оценка по этой формуле для металлического проводника сечением 1 мм 2 , по которому течет ток 10 А, дает для средней скорости упорядоченного движения электронов значение в пределах 0,6–6 мм/c. Таким образом,

средняя скорость упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше средней скорости их теплового движения

Рис. 1.12.3 дает представление о характере движения свободного электрона в кристаллической решетке.

Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа сильно преувеличены

Малая скорость дрейфа на противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического поля со скоростью c = 3·10 8 м/с. Через время порядка l / c (l – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля и в ней начинается упорядоченное движение электронов.

В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом поле энергию и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.

Несмотря на то, что все эти допущения являются весьма приближенными, классическая электронная теория качественно объясняет законы электрического тока в металлических проводниках.

Закон Ома. В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равная по модулю eE, в результате чего он приобретает ускорение . Поэтому к концу свободного пробега дрейфовая скорость электрона равна

где τ – время свободного пробега, которое для упрощения расчетов предполагается одинаковым для всех электронов. Среднее значение скорости дрейфа равно половине максимального значения:

Рассмотрим проводник длины l и сечением S с концентрацией электронов n. Ток в проводнике может быть записан в виде:

где U = El – напряжение на концах проводника. Полученная формула выражает закон Ома для металлического проводника. Электрическое сопротивление проводника равно:

а удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются соотношениями:

Закон Джоуля-Ленца.

К концу свободного пробега электроны под действием поля приобретают кинетическую энергию

Согласно сделанным предположениям вся эта энергия при соударениях передается решетке и переходит в тепло.

За время Δt каждый электрон испытывает Δt / τ соударений. В проводнике сечением S и длины l имеется nSl электронов. Отсюда следует, что выделяемое в проводнике за время Δt тепло равно:

Это соотношение выражает закон Джоуля-Ленца.

Таким образом, классическая электронная теория объясняет существование электрического сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля–Ленца. Однако в ряде вопросов классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом.

Эта теория не может, например, объяснить, почему молярная теплоемкость металлов, также как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3R, где R – универсальная газовая постоянная (закон Дюлонга и Пти, см. ч. I, § 3.10). Наличие свободных электронов на сказывается на величине теплоемкости металлов.

Классическая электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов. Теория дает соотношение , в то время как из эксперимента получается зависимость ρ

T. Однако наиболее ярким примером расхождения теории и опытов является сверхпроводимость.

Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. При более низких температурах порядка нескольких кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. Однако наибольший интерес представляет удивительное явление сверхпроводимости, открытое датским физиком Х.Каммерлинг-Онесом в 1911 году. При некоторой определенной температуре Tкр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис. 1.12.4). Критическая температура у ртути равна 4,1 К, у аллюминия 1,2 К, у олова 3,7 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у элементов, но и у многих химических соединений и сплавов. Например, соединение ниобия с оловом (Ni3Sn) имеет критическую температуру 18 К. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах. В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.

Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник

Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают исключительными свойствами. Практически наиболее важным их них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи.

Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений.

Научный интерес к сверхпроводимости возрастал по мере открытия новых материалов с более высокими критическими температурами. Значительный шаг в этом направлении был сделан в 1986 году, когда было обнаружено, что у одного сложного керамического соединения Tкр = 35 K. Уже в следующем 1987 году физики сумели создать новую керамику с критической температурой 98 К, превышающей температуру жидкого азота (77 К). Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота, было названо высокотемпературной сверхпроводимостью. В 1988 году было создано керамическое соединение на основе элементов Tl–Ca–Ba–Cu–O с критической температурой 125 К.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями Tкр. Ученые надеятся получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если это произойдет, это будет настоящей революцией в науке, технике и вообще в жизни людей.

Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.

Источник