ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ Подготовила : ученица 11 Б класса Бакалым Ангелина

Что называется металлом ? Самое известное из ранних определений металла было дано в середине XVIII века М. В. Ломоносовым : Металлом называется светлое тело, которое ковать можно. Таких тел только шесть : золото, серебро, медь, олово, железо и свинец. Спустя два с половиной века многое стало известно о металлах. К числу металлов относится более 75% всех элементов таблицы Д. И. Менделеева, и подобрать абсолютно точное определение для металлов – почти безнадежная задача. Химически простое вещество ( а также сплав ), обладающее особым блеском, ковкостью, хорошей теплопроводностью и электропроводностью.

Строение металлов Модель металла – кристаллическая решетка, в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение. Итак, в металле есть свободные электроны. Это является одним из условий существования электрического тока. Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов

Как же будут двигаться свободные электроны при наличии электрического поля ? Электрический ток протекает по проводнику благодаря наличию в нем свободных электронов, сорвавшихся с атомных орбит. Упорядоченное движение свободных электронов в металлах под действием электрического поля называется электрическим током в металлах.

Концентрация атомов Концентрация n атомов в металлах находится в пределах –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 дает представление о характере движения свободного электрона в кристаллической решетке. 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. 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

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 Δ t каждый электрон испытывает Δ t / τ соударений. В проводнике сечением S и длины l имеется nSl электронов. Отсюда следует, что выделяемое в проводнике за время Δ t 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.

Сверхпроводимость Классическая электронная теория не может 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. Сверхпроводимость свойство некоторых материалов обладать стр ого нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения ( критическая температура ).

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 - Онессом в 1911 году. При некоторой определенной температуре T кр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля ( рис ). Критическая температура у ртути равна 4,1 К, у алюминия 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 (Ni 3 Sn) 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

Сверхпроводимость 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 T кр = 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 T кр. Ученые надеется 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.