Меню

В металлических проводниках электрический ток представляет собой направленное перемещение

Задания 32.1 – 32.5 — Ханнанова, 8 класс.

32.1. Вставьте в текст пропущенные слова.
Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. В металлических проводах электрический ток представляет собой направленное перемещение свободных электронов. В жидких проводниках ток возникает благодаря упорядоченному движению положительных и отрицательных ионов.

32.2. На рисунке изображена ванночка, в которую налита вода и добавлена поваренная соль NaCl. Молекулы соли в воде находятся в виде ионов Na+ и Cl- . Рядом с ванночкой помещены две пластины, заряженные положительно и отрицательно.

Задания 32.1 – 32.5

а) Стрелками покажите на рисунке направление движения ионов растворенной соли под действием электрического поля, созданного заряженными пластинами.
б) Закончите фразу.
Если рядом с раствором соли поместить заряженные пластины, то в растворе появляется электрический ток, потому что
положительные и отрицательные ионы соли будут стремиться к разным пластинам.

32.3. Для каждого источника тока подберите из второго столбца соответствующий вид энергии, превращающийся в электрическую энергию этого источника в процессе его работы.

Задания 32.1 – 32.5

32.4. Заполните пропуски в тексте, используя слова: кремний, фотоэлемент, гальванометр, электроны, ток, световое излучение.

Задания 32.1 – 32.5

На рисунке показано устройство, иллюстрирующее принцип действия фотоэлемента. Световое излучение лампы падает на поверхность пластины, изготовленной из кремния. Благодаря энергии излучения происходит потеря электронов с поверхности пластины, и гальванометр фиксирует возникновение электрического тока в цепи. В данном процессе причиной возникновения электрического тока в цепи является световое излучение, а следствием возникновения тока является отклонение стрелки гальванометра.

32.5. Заполните пропуски в тексте, используя слова: спаяны, электрический, нагревание, разные стрелка.

Задания 32.1 – 32.5

На рисунке показан процесс возникновения электрического тока в проволоках благодаря тому, что эти проволоки, изготовленные из разных материалов, были спаяны, а место спая нагрето. В этом процессе причиной возникновения тока является нагревание места спая, а следствием – отклонение стрелки гальванометра.

Источник

Электрический ток в металлических проводниках

Во всяком металлическом проводнике имеется громадное количество беспорядочно движущихся электронов. Если обозначить направление движения каждого электрона стрелкой, то беспорядочное движение электронов в проводнике можно изобразить так, как это сделано на рис. 1.

besporyadochnoe-dvizhenie-ehlektronov-v-provodnike

Рисунок 1. Беспорядочное движение электронов в проводнике

Показанная на рис. 1 картина резко изменится, если металлический проводник внести в электрическое поле (будем называть это поле внешним). Мы уже знаем, что электрон под действием сил электрического поля перемещается от точек с меньшим потенциалом к точкам с большим потенциалом. Значит, свободные электроны начнут перемещаться в одном направлении, причем каждый из них в отдельности будет совершать беспорядочное движение. Движение свободных электронов в этом случае напоминает полет пчелиного роя: отдельные пчелы перемещаются в самых различных направлениях, а весь рой летит в какую-то определенную сторону.

В результате перемещения электронов на одном конце проводника образуется их избыток, а на другом — недостаток. Проводник перестанет быть нейтральным. Электрическое поле, созданное проводником (внутреннее электрическое поле), нейтрализует действие внешнего электрического поля. Движение электронов, а значит, и электрический ток в проводнике прекратятся. Заметим, что в рассмотренном случае электрический ток в проводнике существует доли секунды, так как перераспределение электронов происходит очень быстро.

Определение: Упорядоченное, т. е. направленное в одну сторону, движение электронов в металлическом проводнике называется электрическим током.

Следовательно, электрический ток в металлическом проводнике — это одна из форм движения материи, проявляющаяся в механическом перемещении мельчайших электрически заряженных частиц материи — электронов.

Рассмотрим простой пример. Пусть имеются два разноименно заряженных шара (рис. 2).

ehlektricheskij-tok-v-metallicheskom-provodnike

Рисунок 2. Электрический ток в металлическом проводнике

Шары соединены металлическим проводником. Очевидно, что под действием сил электрического поля, существующего между шарами, свободные электроны проводника начнут перемещаться в направлении, указанном стрелкой, т. е. в проводнике возникнет электрический ток. Электроны из проводника попадут на шар А, а избыточные электроны, имеющиеся на шаре Б (шар Б заряжен отрицательно), перейдут в проводник. Вследствие этого потенциалы обоих шаров станут одинаковыми и ток в проводнике прекратится.

Сказанное хорошо иллюстрируется следующим примером (рис. 3).

analogiya-protekaniya-ehlektricheskogo-toka

Рисунок 3. Опыт с сосудами, наполненными водой и соединенными трубкой АБ. а) — разность уровней в сосудах равна нулю, движения воды в трубке А Б нет; б) — уровень воды в правом сосуде выше, чем в левом, вода в трубке АБ течет справа налево; в) — движение воды в трубке непрерывно, если искусственно поддерживается разность уровней воды в сосудах (например, при помощи насоса); г) — уровень воды в левом сосуде выше, чем в правом, вода в трубке АБ течет слева направо.

Имеются два сосуда, наполненные водой и соединенные трубкой. Если уровень воды в левом и правом сосудах одинаковый, то движения воды в трубке А Б нет (рис. 3, а). Но как только уровень воды в правом сосуде станет больше, чем в левом (рис. 3,6), вода потечет по трубке АБ справа налево. Течение воды прекратится, когда разность уровней станет равной нулю. Для того чтобы вода протекала в трубке АБ непрерывно, нужно искусственно, затрачивая некоторую энергию, поддерживать разность уровней в сосудах. Это можно сделать, например, при помощи насоса (рис. 3,в). Если уровень воды в левом сосуде будет больше, чем в правом, то в трубке АБ направление движения воды будет слева направо (рис. 3,г).

Сравнивая пример с заряженными шарами (рис. 2) и пример с сосудами (рис. 3), можно сказать, что разность потенциалов соответствует разности уровней, а электрический ток — движению воды в трубке. Конечно, это только чисто внешнее сходство.

Читайте также:  В каких средах при прохождении электрического тока не происходит переносные вещества

Рассмотренные два примера позволяют сделать вывод об условии непрерывного прохождения электрического тока в проводнике: электрический ток проходит по проводнику непрерывно только в том случае, если между концами проводника непрерывно поддерживается разность потенциалов.

На примере с заряженными шарами (см. рис. 2) можно хорошо уяснить разницу между скоростью движения электронов и скоростью распространения электрического тока. Известно, что скорость движения электронов составляет доли миллиметра в секунду (величина этой скорости зависит от напряженности поля под действием, которого перемещается электрон.), а скорость распространения электрического тока —300 000 км/сек. В самом деле, достаточно электрону из проводника перейти на шар А, как практически в то же мгновение электрон из шара Б перейдет в проводник. Хотя сам электрон движется сравнительно медленно, но скорость передачи движения от одного электрона к другому огромна. Вот почему при включении рубильника на электростанции практически мгновенно вспыхивают электрические лампы во всем городе.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Источник

Направление электрического тока — условия и причины возникновения

Однако ток может возникнуть и в других средах, например, в газах. Как только физики открыли это явление, им предстояло определить, каково направление электрического тока.

Причины появления

Заряженные частицы начинают перемещаться благодаря действию различных источников питания. К их числу принадлежат батареи, аккумуляторы, генераторы и другие устройства, способные превращать всевозможные виды энергии в электрическую. Во время этих преобразований наглядно проявляется закон сохранения энергии. Частицы начинают движение в тот момент, когда электрическая цепь замыкается, что приводит к появлению в проводнике электрополя.

Именно оно и оказывает определенное воздействие на свободные частицы. Во время исследований ученые установили, что каждый источник электротока обладает электродвижущей силой (ЭДС). Следует помнить, что электроны не появляются благодаря источнику питания, а присутствуют в материале проводника. Они начинают двигаться под прямым воздействием электрополя, так как не связаны атомными связями и являются свободными.

В качестве примера можно привести замкнутую систему труб, воду в которых перекачивает насос. В зависимости от размеров труб и числа ответвлений, жидкость будет перемещаться в них с разной скоростью.

Все эти свойства присущи и течению электротока, которое изменяется в зависимости от сечения проводников.

Направление электротока

Необходимо понимать, что электроток вызывает не каждое перемещение заряженных частиц. Под воздействием тепла электроны также начинают двигаться, но их движение является хаотичным и не имеет конкретного направления. Если к тепловому воздействию на проводник добавить электрополе, то электроны начнут двигаться с определенной направленностью.

Направление перемещения частиц, образующих электроток, зависит от их заряда:

  • положительные движутся от «плюса» к «минусу»;
  • отрицательные — от «минуса» к «плюсу».

Встречное перемещение частиц наблюдается в электролитических растворах и газах. Поэтому крайне важно точно установить, каково настоящее направление тока в цепи. В результате было принято решение, что движение положительных частиц является направлением электротока. Однако это утверждение не совпадает с действительностью, когда разговор идет о металлических проводниках.

Дело в том, что в них перенос заряда происходит из-за перемещения электронов, заряженных отрицательно. При этом точно известно, что они двигаются от минуса к положительному полюсу. В данном случае приходится считать направление тока противоположным перемещению заряженных частиц.

Несмотря на определенное неудобство, это правило четко говорит, что принимают за направление электрического тока и куда он течет.

Движение частиц в различных проводниках

Электроток способен возникнуть не только в металлах, но и других веществах. При этом они могут находиться в различных агрегатных состояниях. Чтобы лучше понять тему, стоит указать и движение тока в жидкостях, газах и твердых веществах:

  • Металлы обладают большим количеством свободных электронов, которые и являются основным источником электротока.
  • Электролиты представляют собой жидкости, которые способны проводить электроток. К этой группе проводников принадлежат растворы солей, кислот, щелочей. Оказавшись в воде, молекулы всех этих веществ расщепляются на ионы — заряженные отдельные атомы либо их группы. Ионы могут иметь положительный (катионы) либо отрицательный (анионы) заряд. Именно вследствие их направленного движения в растворах возникает электроток.
  • В плазме и газах электроток вызывает перемещение положительных ионов и электронов, имеющих отрицательный заряд.
  • В вакууме ток появляется благодаря вылетающим с поверхности металла электронам.

Ток, возникающий вследствие передвижения заряженных частиц внутри тел относительно определенной среды, называется электротоком проводимости.

Также существует определение конвекционного электротока, представляющего собой движение макроскопических частиц. Примером конвекционного тока являются дождевые капли во время молнии.

Действие тока

Зная, что принимается за направление тока, стоит выяснить и его действие. О появлении силы электротока можно узнать по показаниям специальных приборов. Однако они не всегда есть под рукой. В такой ситуации о наличии электротока можно судить по следующим явлениям:

  • Тепловое. Движение заряженных частиц приводит к нагреву материала проводника. Именно это явление используется в работе ламп освещения либо нагревательных приборов.
  • Магнитное. Если в цепи есть ток, то он создаст магнитное поле. Проверить этот факт можно с помощью компаса: если поднести его к проводу, то стрелка повернется перпендикулярно проводнику. Созданное током магнитное поле можно усилить, обмотав железный стержень проволокой. В результате получится электромагнит.
  • Химическое. Если ток протекает в электролитах, то химический состав раствора изменится. Например, в растворе CuSO4 электроток возникает благодаря движению положительных ионов Cu. Они перемещаются к отрицательному электроду, который со временем покроется слоем меди.
Читайте также:  По медному проводнику течет электрический ток плотность тока 6

Сегодня сложно представить человеческую цивилизацию без электричества. Природу этих явления пытались установить многие ученые еще до открытия электронов. Первым физиком, выдвинувшим гипотезу о наличии двух типов зарядов, стал Бенджамин Франклин.

После открытия электронов не состыковка гипотезы Франклина была обнаружена, но ученые решили, что определяться направление электротока будет по-прежнему.

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).

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

Читайте также:  От чего зависит частота тока в энергосистеме

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