Какие частицы создают электрический ток в металлах

Условия существования электрического тока в металлах

Электрический ток в металлах — это упорядоченное (направленное) движение электронов под действием электрического поля.

Особенность металлических проводников состоит в том, что заряд электричества переносят свободные электроны. Они перемещаются в одном направлении под влиянием внешнего электрического поля, создавая электрический ток.

Природа электрической проводимости у металлов обусловлена наличием кристаллической решётки, в узлах которой расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся свободные электроны. Свободные электроны не связаны с ядрами своих атомов. Отрицательный заряд всех свободных электронов по модулю равен положительному заряду всех ионов решетки, таким образом проводник считается электрически нейтральным.

Кто открыл, опыт Мандельштама и Папалекси

Первые опыты по изучению электрической проводимости металлов провел немецкий ученый Карл Виктор Эдуард Рикке в 1901 году. Суть эксперимента сводилась к следующему. Три отполированных цилиндра плотно прижали друг к другу, расположив в таком порядке: медь–алюминий–медь. В течение года через них пропускали ток в одном и том же направлении.

Суммарный заряд, прошедший через этот проводник за все время составил более 3,5 МКл. После завершения опыта цилиндры взвесили и выяснилось, что их массы не изменились. Это исследование стало доказательством того, что прохождение тока в металлах не связано с химическими процессами и переносом вещества, а заряд создается частицами, которые имеются у всех металлов, т.е. электронами.

Опыты по изучению электропроводимости в 1916 году продолжили русские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси. Они задались целью узнать, имеется ли масса у электрона. Если электрон обладает массой, то должен подчиняться законам механики, в том числе, закону инерции. К примеру, если движущийся проводник резко остановить, то электроны еще какое-то время будут двигаться в том же направлении по инерции.

Была собрана следующая установка: катушка на стержне со скользящими контактами, которые присоединены к гальванометру. Катушка вращалась с большой скоростью, затем резко останавливалась, при этом фиксировали отклонение стрелки гальванометра. В ходе эксперимента ученые установили, что электрон обладает массой. Но измерить эту массу они не смогли, опыт был только качественным.

Спустя три года физики Р. Толмен и Б. Стюарт предложили свой вариант подобного эксперимента, что позволило произвести количественные измерения. Им удалось вычислить массу электрона. Для этого они измерили заряд на выходах катушки, образующийся при торможении. После внезапной остановки катушки в цепи возникал импульс тока. Направление тока указывало на то, что он вызван движением отрицательных зарядов.

Скорость распространения электрического тока близка к скорости света в вакууме (300 000 км/с).

Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника.

Закон Ома и Джоуля-Ленца, формулы

Классическая электронная теория металлов берет за основу, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. При этом не учитывают взаимодействие электронов между собой. Предполагается также, что при каждом столкновении с положительными ионами электрон передает решетке всю полученную в электрическом поле энергию, а затем начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.

Несмотря на эти особенности, законы электрического тока в металлических проводниках — Ома и Джоуля–Ленца — находятся в рамках классической электронной теорией.

Закон Ома

В 1827 году немецкий физик Георг Ом установил, что связь таких физических характеристик, как сила тока, напряжение и сопротивление определяется следующей зависимостью: для определенного участка цепи сила тока I прямо пропорциональна напряжению U и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению R.

Так как проводник нагревается при протекании по нему электрического тока, то выделяется теплота. В 1841–1842 годах сразу два ученых независимо друг от друга Дж. Джоуль (Англия) и Э. Х. Ленц (Россия) экспериментально доказали, что количество выделяющейся теплоты Q прямо пропорционально квадрату тока I2, сопротивлению проводника R и времени t, в течение которого ток протекал по проводнику.

Q=I2Rt.

Проводник нагревается за счет работы сил электрического поля над носителями заряда. Эта работа A также равна Q: A=Q=I2Rt.

Применив закон Ома для участка однородной цепи и определение силы тока, можно получить следующие варианты формулы:

Электрический ток в металлах

Электрический ток — это направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда. Такими носителями могут являться: в металлах — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны, в вакууме при определённых условиях — электроны, в полупроводниках — электроны или дырки (электронно-дырочная проводимость).

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Электрический ток в металлах

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов (опыт Толмена и Стьюарта)

Подвижные носители зарядов и электрический ток

Когда проводник помещают в электрическое поле, подвижные носители зарядов в проводнике перемещаются под действием поля, что приводит к выравниванию потенциалов всех точек проводника (§ 15.8). Однако если у двух точек проводника каким-то образом искусственно поддерживать разные потенциалы, то внутри проводника будет существовать поле. Это поле будет создавать непрерывное движение зарядов. Положительные заряды при этом движутся от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом, а отрицательные — наоборот.

Направленное движение свободных зарядов в проводнике под действием сил поля называется электрическим током проводимости или электрическим током. Подвижными носителями зарядов в любых проводниках являются свободные электроны или ионы. Отметим, что движение отдельного заряда в проводнике иногда называют микротоком, а полный ток — макротоком.

При движении в вакууме свободные носители зарядов (одного знака) не встречают никакого противодействия и приобретают кинетическую энергию за счет работы сил электрического поля. Когда же ток проходит в веществе, движущиеся заряды встречают противодействие, поскольку взаимодействуют с другими зарядами и частицами, входящими в состав вещества. (Например, электроны в металле, сталкиваясь о ионами решетки, теряют энергию, сообщенную им полем.) При этом увеличивается интенсивность хаотического движения частиц вещества, т. е. происходит нагревание вещества. Таким образом, ток в веществе всегда сопровождается увеличением внутренней энергии вещества.

Сила тока и плотность тока в проводнике

Если в вакууме движение зарядов под действием поля происходит с непрерывно нарастающей скоростью, то в твердых веществах и в жидкостях дело обстоит иначе.

Подобно тому, как поезд движется с постоянной скоростью, когда сила тяги равна силе сопротивления окружающей среды, средняя скорость направленного движения подвижных носителей зарядов при постоянной напряженности поля Е в проводнике пропорциональна напряженности поля Е:

Коэффициент пропорциональности и, который выражает зависимость скорости движения носителей зарядов, обусловленной действием сил поля, от рода вещества проводника и внешних условий, называют подвижностью носителей тока. Подвижность измеряется скоростью направленного движения носителей тока в проводнике при напряженности поля, равной единице. (Покажите, что единицей подвижности зарядов в СИ является

Если в проводнике течет электрический ток, то через сечение проводника , перпендикулярное линиям напряженности поля, проходят подвижные носители зарядов подобно тому, как мимо наблюдателя, стоящего у обочины дороги, проезжают автомашины. Величину , характеризующую быстроту переноса заряда в проводнике через его поперечное сечение, называют силой тока (или током). Силу тока в проводнике измеряют количеством электричества, проходящего через поперечное сечение проводника за единицу времени:

Величину , характеризующую быстроту переноса заряда в проводнике через единицу площади его поперечного сечения, называют плотностью тока. При равномерном распределении потока зарядов по всей площади сечения проводника плотность тока

Если поток зарядов распределяется по площади поперечного сечения проводника неравномерно, то всегда можно выбрать столь малую часть площади сечения , чтобы поток зарядов через нее можно было считать равномерным. Тогда, если сила тока через выбранную площадку равна , то плотность тока в этом месте поперечного сечения равна

Выясним, чем определяется плотность тока в проводнике. Предположим, что линии напряженности поля перпендикулярны плоскости поперечного сечения проводника, а все носители тока заряжены положительно и имеют одинаковый заряд . Пусть напряженность поля в проводнике Е, количество подвижных носителей зарядов в единице объема проводника , а скорость их направленного движения в проводнике . Выделим внутри проводника цилиндр, образующая которого параллельна Е, а площадь сечения равна (рис. 16.1). Тогда внутри цилиндра будет находиться носителей тока, а их общий заряд будет равен .

За время все эти носители тока пройдут через переднее основание цилиндра. При этом ток через поперечное сечение цилиндра будет равен , а плотность тока

или в векторной форме

Поскольку , получим

Так как напряженность поля Е есть вектор, а и — скалярные величины, то плотность тока является вектором, направление которого совпадает с направлением вектора Е. Таким образом, за направление тока условно принимается направление движения положительных зарядов в проводнике. Поскольку , то

Напряженность поля в цилиндре можно выразить по формуле (15.14):

Тогда из (16.6) и (16.7) получим

Эти формулы можно применять и к проводнику произвольных размеров, тогда будет обозначать длину всего проводника, — площадь его поперечного сечения, а — напряжение на его концах.

Такой ток, при котором плотность тока в каждой точке проводника не изменяется со временем, называют постоянным. Из (16.7 а) видно, что постоянный ток существует в проводнике только при постоянном напряжении на концах проводника. Если же ток изменяется со временем, то его называют переменным. Все изложенное ниже в этом разделе относится к постоянному току.

Подчеркнем еще раз, что за направление тот принято направление движения положительных зарядов, которое совпадает с направлением электрического поля. Отрицательно заряженные носители тока, как мы знаем, под действием сил поля движутся в направлении, противоположном направлению поля. Однако перемещение в проводнике отрицательных зарядов в каком-либо направлении эквивалентно перемещению таких же по величине положительных зарядов в противоположном направлении. Следовательно, направление тока, созданного отрицательно заряженными носителями, также совпадает с направлением поля. При этом плотность тока и сила тока определяются выражениями, аналогичными (16.6 а) и (16.7 а). В этих формулах следует отбросить знак заряда, и тогда они будут применимы и для положительных, и для отрицательных зарядов:

Чтобы установить, какие заряды в металлах являются свободными, был выполнен следующий опыт. Металлический провод большой длины наматывали на цилиндрический каркас, а концы провода соединяли с двумя кольцами (рис. 16.2), к которым были прижаты угольные пластинки, присоединенные к гальванометру (прибору для измерения слабых токов).

Катушку с проводом приводили в быстрое вращение, а затем резко тормозили. В этот момент стрелка гальванометра отклонялась, т. е. возникал кратковременный ток. Его появление объясняется следующим образом.

При вращении катушки вместе с проводником двигались и носители тока в проводнике. Когда катушку резко останавливали, то носители тока некоторое время продолжали свое движение по инерции, т. е. в проводнике создавался кратковременный ток. По направлению этого тока было установлено, что движутся отрицательные заряды, а более подробные исследования показали, что подвижными носителями зарядов в металлах являются электроны.

Замкнутая электрическая цепь

Кратковременный электрический ток в проводнике можно получить,, соединяя проводником два заряженных проводящих тела, которые имеют различный потенциал. Ток в проводнике исчезает, когда потенциал тел становится одинаковым. Напомним, что вообще ток в проводнике ослабляет поле внутри него и выравнивает потенциал всех точек проводника (§ 15.8).

Для получения длительного тока нужно замкнуть цепь из проводников, чтобы заряды могли циркулировать по этой цепи. Кроме того, в проводниках нужно поддерживать электрическое поле, которое ток стремится уничтожить. Поле внутри проводников, составляющих замкнутую цепь, должен поддерживать источник электрической энергии.

В цепь включают также потребители электрической энергии, в которых ток выполняет полезную работу. Кроме того, в цепь включают соединительные провода и выключатель (рубильник) для замыкания и размыкания цепи. Заметим, что приборы, предназначенные для включения в цепь должны иметь зажимы (клеммы), к которым присоединяют подводящие провода. Следовательно, простая электрическая цепь состоит из источника электрической энергии, потребителя, подводящих проводов и выключателя.

Электродвижущая сила источника электрической энергии

Выше было показано, что работа сил электрического поля при перемещении заряда по замкнутому контуру равна нулю (§ 15.5). Это означает, что если в замкнутой цепи на заряды действуют одни только электрические силы, то работу с помощью тока получить нельзя. Следовательно, в электрической цепи должен быть хотя бы один такой участок, в котором на подвижные носители зарядов, кроме сил электрического поля, действовали бы еще какие-либо другие силы, способные совершить работу по перемещению этих зарядов. Такие силы называют сторонними.

Представим себе два заряженных проводника А и В (рис. 16.3).

Допустим, что потенциал проводника А больше, чем потенциал проводника В. Если соединить их проводником АСВ, то положительные заряды под действием сил электрического поля устремятся от А к В по проводнику АСВ. Однако это движение очень скоро прекратится, так как потенциалы проводников А и В станут равными. Чтобы этого не произошло и движение носителей тока продолжалось достаточно долго, необходимо положительные заряды из точки В каким-то образом переносить снова в точку А, например, по проводнику ВDА. Но такое перемещение зарядов самопроизвольно происходить не может, так как силы электрического поля действуют на них в противоположную сторону.

Следовательно, в проводнике ВDА на заряды должны действовать сторонние силы направленные против сил электрического поля и превышающие их по величине. Тогда на участке АСВ носители тока будут двигаться под действием сил электрического поля от А к В, а на участке ВDА — под действием поля сторонних сил от В к А. В этом случае в замкнутой цепи будет непрерывно циркулировать поток зарядов, т. е. будет идти электрический ток, а потенциалы проводников А и В не смогут выравняться.

Сторонние силы будут совершать работу по перемещению подвижных носителей зарядов на участке ВDА, преодолевая противодействие электрического поля и частиц вещества, из которого сделан проводник ВDА. За счет работы, выполненной сторонними силами против сил электрического поля, ток совершает работу на участке цепи АСВ.

Таким образом, на участке ВDА электрическая энергия получается за счет других видов энергии, а на участке АСВ, наоборот, электрическая энергия будет превращаться в другие виды энергии, например во внутреннюю энергию проводника. Поэтому участок цепи, в котором заряды движутся в сторону действия сторонних сил, называют источником электрической энергии (участок ВDА), а участок, в котором заряды движутся в сторону действия электрических сил называют потребителем электрической энергии.

Отметим, что в электротехнике источники электрической энергии называют генераторами. Те из них, в которых химическая энергия превращается в электрическую, называют гальваническими элементами или аккумуляторами.

Величину, характеризующую зависимость электрической энергии, приобретенной зарядом в генераторе, от внутреннего устройства последнего, называют электродвижущей силой генератора и обозначают э. д. с. или . Электродвижущую силу генератора измеряют работой сторонних сил, выполненной при перемещении единичного положительного заряда:

(Покажите, что единицей э.д.с. в СИ является 1 В.)

Итак, длительный ток может идти в замкнутой цепи только при наличии в ней э.д.с. Если убрать проводник АСВ (рис. 16.3), то в результате перемещения зарядов на участке ВDА под действием сторонних сил в точке А будут накапливаться положительные заряды, а в точке В — отрицательные. Напряжение между проводниками A и В будет увеличиваться до тех пор, пока электрические и сторонние силы, действующие на заряды, не сравняются. Тогда накопление зарядов в точках A и В прекратится, а напряжение между A и В достигнет максимального значения для данного генератора. (Объясните, почему напряжение на генераторе при разомкнутой цепи равно его э. д. с.)

Таким образом, чтобы измерить э. д. с. генератора, нужно присоединить к нему вольтметр при разомкнутой, цепи.

Внешняя и внутренняя части цепи

В предыдущем параграфе было показано, что электрическая цепь имеет две существенно различные части. Часть цепи, в которой заряды движутся по направлению действия электрических сил (АСВ на рис. 16.3), называют внешней, а часть цепи, в которой заряды движутся в сторону действия сторонних сил (ВDА на рис. 16.3), называют внутренней. Иначе говоря, внутренней цепью является источник электрической энергии, а внешней — вся остальная часть цепи.

Те точки, в которых внешняя цепь граничит с внутренней, называют полюсами. Во внешней цепи заряды движутся из одной точки в другую только при наличии разности потенциалов; поэтому, когда в замкнутой цепи идет ток, потенциал во внешней цепи от точки к точке уменьшается (в направлении от A к В на рис. 16.3). Таким образом, у одного из полюсов имеется самый большой потенциал, а у другого — самый маленький потенциал по сравнению с другими точками цепи. Полюс с наибольшим потенциалом называют положительным и обозначают знаком «+», а полюс с наименьшим потенциалом называют отрицательным и обозначают знаком «—».

В схемах электрических цепей применяются условные обозначения, показанные на рис. 16.4.

Принято считать, что тонкая длинная черта в обозначении источника электрической энергии является положительным полюсом, а короткая толстая — отрицательным.

Схема простой электрической цепи с включением измерительных приборов показана на рис. 16.5.

Напомним, что за направление тока во внешней цепи принимают движение положительных зарядов от положительного полюса к отрицательному (§ 16.2), а во внутренней —отрицательного полюса к положительному, хотя в металлах электроны движутся в обратную сторону.

Поскольку во внешней цепи по направлению тока потенциал от точки к точке падает, напряжение на любом участке, составляющем часть внешней цепи (рис. 16.5), меньше, чем напряжение на полюсах источника, т. е. на всей внешней цепи. Заметим, что это справедливо только при наличии тока в цепи. Если цепь разомкнуть, то потенциал всех точек проводника, соединенного с одним из полюсов, будет один и тот же. (Подумайте, существует ли при этом напряжение между полюсами.)

Закон Ома для участка цепи без ЭДС

Сопротивление проводника. Падение напряжения. Когда по какому-либо участку цепи протекает ток, то между силой тока и напряжением для этого участка существует определенная функциональная зависимость, которую называют вольтамперной характеристикой.

Для металлического проводника вольтамперная характеристика выражается формулой (16.76):

Отсюда видно, что между и должна быть прямо пропорциональная зависимость. Эту зависимость впервые установил опытным путем немецкий ученый Г. Ом.

Наглядным изображением вольтамперной характеристики является график зависимости от , который для проводника, как следует из формулы (16.7 6), представляет собой прямую линию (рис. 16.6).

Эту зависимость можно выразить формулой

где коэффициент пропорциональности

Ветчину , выражающую зависимость силы тока в проводнике от его рода, размеров и внешних условий, называют проводимостью участка цепи. Проводимость измеряется силой тока, возникающей в проводнике при напряжении на его концах, равном единице.

На практике соотношение (16.9) чаще записывают в виде

Величину R называют электрическим сопротивлением. Аналогично тому, как трение в механике создает противодействие движению тел, сопротивление проводника создает противодействие направленному движению зарядов и определяет превращение электрической энергии во внутреннюю энергию проводника.

Величина, характеризующая противодействие электрическому току в проводнике, которое обусловлено внутренним строением проводника и хаотическим движением его частиц, называется электрическим сопротивлением проводника. Сопротивление участка цепи (без э. д. с.) измеряется напряжением на этом участке, необходимым для получения в нем тока, равного единице.

Выведем единицу сопротивления R в СИ:

В СИ за единицу сопротивления принимается ом (Ом). Омом называется сопротивление такого участка цепи без э. д. е., по которому течет ток в 1 А при напряжении на его концах в 1 В *).

*) За единицу проводимости в СИ принят симено (См): 1.

Закономерность, найденная Омом для металлических проводников, выражается формулой (16.11) и называется законом Ома для участка цепи без э. д. c.: сила тока на участке цепи без э. д. с. прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению: .

Перепишем формулу закона Ома следующим образом:

Физический смысл этого выражения заключается в том, что — это полная работа, совершаемая электрическим полем при перемещении единичного заряда на данном участке цепи, т. е. израсходованная электрическая энергия на участке цепи при перемещении по нему единичного заряда. На участке цепи без э. д. c., обладающем сопротивлением R, вся эта энергия идет на нагревание проводника, т. е. превращается в его внутреннюю энергию. Подчеркнем еще раз, что это превращение энергии обусловлено сопротивлением, которое действует аналогично трению в механических процессах.

Считая, что на участке цепи энергия отданная равна энергии полученной, можно рассматривать (16.116) как выражение закона сохранения энергии для участка цепи. Поэтому можно сказать, что произведение IR, которое называют падением напряжения, выражает увеличение внутренней энергии участка цепи, т. е. численно равно электрической энергии, затраченной на тепловое действие в этом участке цепи при прохождении по нему единичного заряда.

Из сказанного выше следует, что если электрическая энергия , на участке цепи будет превращаться кроме внутренней энергии еще в какой-либо другой вид энергии, то падение напряжения составит только часть напряжения, т. е. соотношение (16.116) для такого участка цепи будет неприменимо. В этом случае на участке обязательно действуют сторонние силы, т. е. имеется э. д. с.

В подводящих проводах, по которым идет ток от генератора к потребителю, всегда существует падение напряжения. Именно поэтому напряжение, у потребителя всегда меньше, чем на полюсах генератора. Падение напряжения в подводящих проводах иногда называют еще потерей напряжения.

Заметим еще, что устройства, которые включают в электрическую цепь для ограничения тока, называют резисторами.

Зависимость сопротивления от материала, длины и площади поперечного сечения проводника

Выясним, чем определяется сопротивление металлического проводника. В металле подвижными носителями зарядов являются свободные электроны. Можно считать, что при своем хаотическом движении они ведут себя подобно молекулам газа. Поэтому в классической физике свободные электроны в металлах называют электронным газом и в первом приближении считают, что к нему применимы законы, установленные для идеального газа.

Плотность электронного газа и строение кристаллической решетки зависят от рода металла. Поэтому сопротивление проводника должно зависеть от рода его вещества. Кроме того, оно должно еще зависеть от длины проводника, площади его поперечного сечения и от температуры.

Влияние сечения проводника на его сопротивление объясняется тем, что при уменьшении сечения поток электронов в проводнике при одной и той же силе тока становится более плотным, поэтому и взаимодействие электронов с частицами вещества в проводнике становится сильнее. Покажем это более строго.

Поскольку то

Из этой формулы видно, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения. Величину alt=»Электрический ток в металлах» />, характеризующую зависимость сопротивления проводника от материала, из которого он сделан, и от внешних условий, называют удельным сопротивлением вещества. (Покажите, что единицей удельного сопротивления alt=»Электрический ток в металлах» />в СИ является 1 Ом . м.) Удельное сопротивление различных веществ при расчетах берут из таблиц.

Величину, обратную удельному сопротивлению, называют удельной проводимостью вещества и обозначают :

(Покажите, что единицей удельной проводимости в СИ является 1 См/м.)

Зависимость сопротивления от температуры

Поскольку при нагревании вещества хаотическое движение его частиц становится интенсивнее, возрастает противодействие направленному движению носителей тока. Это видно из формулы (16.14): .

При нагревании металлического проводника подвижность носителей тока и уменьшается, а и е остаются постоянными. Следовательно, должно при этом возрастать. Опыт показал, что в широком интервале температур приращение удельного сопротивления металла прямо пропорционально приращению температуры. Если удельное сопротивление при 0°С обозначить через , а при температуре t — через то , или

Величину , характеризующую зависимость изменения удельного сопротивления при нагревании от рода вещества, называют температурным коэффициентом сопротивления. Температурный коэффициент сопротивления измеряют числом, показывающим, на какую часть своей величины, взятой при О °С, изменятся удельное сопротивление при нагревании на 1 °С:

(Покажите, что единицей измерения является 0 С -1 .)

У всех металлов alt=»Электрический ток в металлах» />— величина положительная, так как-их сопротивление при нагревании возрастает. У чистых металлов температурные коэффициенты мало отличаются друг от друга, и приближенно их можно считать равными 0,004 0 С -1 (около (1/273) 0 С -1 ). У металлических сплавов удельное сопротивление значительно больше, чем у чистых металлов, а температурные коэффициенты много меньше. Есть сплавы, например константан и манганин, у которых коэффициент alt=»Электрический ток в металлах» />настолько мал, что их сопротивление можно считать не зависящим от температуры.

Выведем формулу для расчета сопротивления проводников при различных температурах. Из (16.17) имеем

Подставляя это значение в (16.15), окончательно получим

Зависимость сопротивления металлов от температуры используется в термометрах сопротивления. Они позволяют измерять температуру с точностью до тысячных долей градуса (поскольку сопротивление можно измерять с высокой точностью). Отметим еще, что коэффициент а для угля и электролитов, а также для чистых полупроводников отрицателен, так как их сопротивление при нагревании уменьшается (§§ 19.1 и 21.2).

Сверхпроводимость

Зависимость сопротивления от температуры, оказывается, не всегда можно выражать формулой (16.18). При низких температурах были обнаружены интересные отклонения от этой зависимости. При приближении температуры некоторых проводников из чистых металлов к абсолютному нулю их сопротивление стремится не к нулю, как следует из (16.18), а к некоторому предельному значению, отличному от нуля.

Измеряя сопротивления проводников при очень низких температурах, голландский физик X. Камерлинг-Оннес в 1911 г. обнаружил явление, названное в дальнейшем сверхпроводимостью. Оказалось, что в некоторых случаях при достаточно низкой температуре сопротивление вещества скачком падает до нуля (рис. 16.7).

Если из такого вещества сделать замкнутую цепь (например, кольцо) и возбудить в ней ток, то он будет циркулировать в цепи сколь угодно долгое время, так как носители тока не будут терять своей энергии на нагревание проводника.

Для получения сверхпроводимости нужно иметь вещество с правильной кристаллической решеткой. Посторонние примеси и дефекты решетки нарушают сверхпроводимость, и такие проводники даже при температуре, близкой к абсолютному нулю, имеют некоторое сопротивление.

Сверхпроводимость позволяет получать при низких температурах в проводниках небольшого сечения огромные токи. Поэтому из сверхпроводников (сплавы ниобий — титан, ниобий — олово и др.) изготавливаются обмотки мощных электрических генераторов и сверхмощных электромагнитов, которые охлаждаются жидким гелием до 4 К. Разрабатываются сверхпроводящие кабели для передачи электроэнергии.

Эквивалентное сопротивление

Пусть между точками A и В (рис. 16.8, а) включено несколько потребителей, соединенных произвольным образом. Допустим, что общий ток у этих потребителей равен , а напряжение между точками A и В равно . Представим теперь, что все потребители между точками A и В отключены и вместо них включен один проводник с сопротивлением R (рис. 16.8, б). Сопротивление этого проводника можно подобрать так, чтобы показания амперметра и вольтметра остались прежними. Очевидно, что такая замена не вызовет изменений во всех остальных участках замкнутой цепи (не показанных на рисунке). Это означает, что сопротивления между точками A и В на обеих схемах равноценны.

Сопротивление, при включении которого вместо всех других проводников, находящихся между двумя точками цепи, ток и напряжение остаются неизменными, называют эквивалентным сопротивлением этих проводников.

Последовательное соединение потребителей энергии тока

Последовательное соединение потребителей изображено на рис. 16.9. Расчет токов, напряжений и сопротивлений при таком соединении делают с помощью правил, приведенных ниже.

1. При последовательном соединении сила тока во всех участках цепи одинакова:

Все амперметры на рис. 16.9 показывают одинаковую силу тока.

Объясняется это тем, что заряды в цепи не создаются и не уничтожаются. Индекс у обозначения силы тока при последовательном соединении ставить нет смысла.

2. При последовательном соединении напряжение на внешней цепи равно сумме напряжений на отдельных участках цепи:

Это можно установить из опытов по показаниям вольтметров. (Объясните соотношение (16.20) на основании закона сохранения энергии.)

3. Напряжения на отдельных участках цепи при последовательном соединении прямо. пропорциональны сопротивлениям участков:

(Докажите это с помощью закона Ома и соотношения (16.19).)

4. При последовательном соединении эквивалентное сопротивление всей цепи равно сумме сопротивлений отдельных участков цепи:

Выведите это соотношение с помощью закона Ома и формулы (16.20).)

Из соотношения (16.20) видно, что при последовательном соединении п одинаковых участков цепи общее напряжение равно

где —напряжение на одном участке. Аналогично из (16.22) получаем

Отметим, что при размыкании цепи у одного из последовательно соединенных потребителей ток исчезает во всей цепи. Поэтому последовательное соединение на практике не всегда удобно.

Параллельное соединение потребителей энергии тока

Параллельное соединение потребителей изображено на рис. 16.10. Отметим, что точка, в которой сходится больше двух проводников, называется узлом (В и С на рис. 16.10).

Все вместе параллельно соединенные проводники составляют разветвление, а каждый из них называется ветвью. При параллельном соединении потребителей для расчета токов, напряжений и сопротивлений пользуются тоже четырьмя правилами.

1. При параллельном соединении напряжения на отдельных ветвях и на всем разветвлении одинаковы:

2. Ток до и после разветвления равен сумме токов в отдельных ветвях:

Это можно установить по показаниям амперметров. (Объясните правило (16.26), основываясь на законе сохранения заряда.)

3. Токи в отдельных ветвях разветвления обратно пропорциональны сопротивлениям этих ветвей:

(Выведите это соотношение с помощью закона Ома и формулы (16.25).)

4. Проводимость всего разветвления равна сумме проводимостей отдельных ветвей:

(Выведите это соотношение с Помощью закона Ома и формулы (16.26).)

Отметим, что эквивалентное сопротивление разветвления всегда меньше самого маленького из сопротивлений составляющих его ветвей. В случае, когда все ветви в разветвлении одинаковы, общий ток в цепи будет

где — сила тока в одной ветви, a m — число ветвей. Эквивалентное сопротивление разветвления

Если напряжение между узлами остается постоянным, то токи в ветвях не зависят друг от друга. Из этого следует, что в большинстве случаев на практике для потребителей удобно использовать параллельное соединение.

Закон Ома для всей цепи

Пусть к источнику электрической энергии с электродвижущей силой присоединена внешняя цепь, в которой идет ток I, а вольтметр, соединенный G полюсами источника, показывает напряжение на внешней цепи (рис. 16.11, а).

Источник электрической энергии является проводником и всегда имеет некоторое сопротивление, поэтому ток выделяет в нем тепло. Это сопротивление r называют внутренним сопротивлением источника. На основании закона сохранения энергии можно сделать следующее заключение.

Электродвижущая сила численно равна энергии, полученной единичным электрическим зарядом во внутренней цепи, а напряжение равно той энергии, которую он теряет во внешней цепи. Кроме того, этот заряд теряет во внутренней цепи энергию Ir, которая идет на выделение тепла в источнике электрической энергии. Так как энергия в цепи не возникает и не исчезает, то сколько энергии заряд получает, столько же и теряет, пройдя всю замкнутую цепь. Поэтому

Если внешняя цепь состоит из неподвижных металлических проводников, эквивалентное сопротивление которых R то , так как в этом случае вся электрическая энергия расходуется на тепловое действие. Заменяя в (16.31) напряжение через , получаем

Это соотношение называют законом Ома для всей цепи: сила тока в электрической цепи с одной э. д. с. прямо пропорциональна электродвижущей силе и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешней и внутренней цепей.

Если пользоваться определенным источником электрической энергии, то и r в соотношении (16.31) можно считать постоянными величинами. Внешнюю цепь к этому источнику можно присоединять с разными сопротивлениями R. В зависимости от этого будут получаться различные значения тока и напряжения . Так как при этом сумма остается постоянной, то при увеличении должно уменьшаться , и наоборот.

Итак, чем больше сопротивление внешней цепи R, тем больше энергии единичный заряд расходует во внешней цепи и меньше во внутренней (r уменьшается).

Когда R велико по сравнению с r, падение напряжения во внутренней цепи так мало по сравнению с alt=»Электрический ток в металлах» />, что им можно пренебречь. Таким образом, при большом сопротивлении R напряжение на внешней цепи alt=»Электрический ток в металлах» />приближенно равно э. д. c.:

На этом основано измерение э. д. c., описанное в § 16.4. Действительно, когда внешней цепи нет, то источник электрической энергии замкнут на вольтметр (рис. 16.11,6), который показывает падение напряжения R на самом себе, равное . А так как сопротивление вольтметра очень велико (§22.17), то при этом справедливо соотношение (16.33).

Соединение одинаковых источников электрической энергии в батарею

При получении электрической энергии от гальванических элементов и аккумуляторов часто приходится соединять их в батарею. Соединяют элементы последовательно, параллельно и смешано.

При последовательном соединении элементов в батарею положительный полюс предыдущего источника соединяется с отрицательным полюсом последующего (рис. 16.12). Применяя к батарее формулу (16.32 а), следует помнить, что для этого случая под подразумевается э. д. с. всей батареи , а под r — внутреннее сопротивление батареи . Таким образом, формула (16.32 а) принимает вид

На практике всегда соединяют в батарею одинаковые элементы.

При последовательном соединении п элементов заряд под действием сторонних сил приобретает энергию поочередно во всех п элементах. Поэтому э. д. с. батареи будет равна где — э. д. с. одного элемента. Если внутреннее сопротивление одного элемента r, то сопротивление батареи будет равно , так как заряд поочередно преодолевает сопротивление всех элементов. Следовательно, закон Ома для всей цепи при последовательном соединении элементов имеет вид

Как видно из этой формулы, последовательное соединение элементов дает значительное увеличение тока в том случае, когда внутреннее сопротивление одного элемента много меньше сопротивления внешней цепи R.
При параллельном соединении элементов в батарею все их положительные полюсы присоединяются к одной клемме, а отрицательные — к другой (рис. 16.13). В этом случае заряды, которые проходят через один элемент, не попадают в другие, т. е. э. д. с. батареи равна э. д. с. одного элемента , а внутреннее сопротивление батареи из т одинаковых элементов равно . Таким образом, закон Ома для всей цепи при параллельном соединении имеет вид

(Подумайте, почему целесообразно соединять элементы параллельно в том случае, когда внутреннее сопротивление одного элемента много больше, чём сопротивление внешней цепи.)

Смешанное соединение элементов изображено на рис. 16.14.

В этом случае увеличение э. д. с. дает только последовательное соединение, т. е. . Учитывая, что последовательное соединение увеличивает сопротивление, а параллельно уменьшает, имеем . Таким образом, закон Ома для всей цепи при смешанном соединении имеет вид

Смешанное соединение выгодно применять, когда сопротивление внешней цепи близко к сопротивлению одного элемента.

Закон Ома для участка цепи с ЭДС и для всей цепи при нескольких ЭДС

Сторонние силы могут действовать одновременно во многих участках замкнутой цепи, в том числе и у потребителя. Поэтому э. д. с. имеется не только в генераторе, но и во всех тех участках цепи, в которых действуют сторонние силы.

Когда заряды на участке цепи движутся по направлению действия на них сторонних сил, э. д. с. участка считается положительной. На этом участке обязательно происходит превращение в электрическую энергию других видов энергии. Если же заряды движутся в сторону, противоположную направлению действия на них сторонних сил, э. д. с. считается отрицательной. В этом случае электрические заряды теряют свою энергию, преодолевая противодействие сторонних сил. Электродвижущую силу на таком участке цепи принято называть противо-э. д. с.

Вспомним, что, преодолевая сопротивление, заряды теряют свою энергию, которая превращается во внутреннюю энергию-проводника, т. е. идет на его нагревание. Аналогично, преодолевая противодействие сторонних сил На участке цепи с отрицательной э. д. c., заряды теряют свою энергию, которая превращается в другие виды энергии, отличные от внутренней энергии. Итак, наличие э. д. с. на участке цепи обеспечивает либо превращение в электрическую энергию других видов энергии (в генераторе), либо превращение электрической энергии в другие виды (кроме внутренней энергии) при отрицательной э. д. с. Например, при работе электродвигателя наличие противо-э. д. с. обусловливает превращение электрической энергии в механическую.

Обобщим все изложенное. Когда на участке цепи действуют сторонние силы, то возможны три различных случая:

• 1) электрические и сторонние силы действуют на заряды в противоположные стороны, а э. д. с. больше напряжения;
• 2) электрические и сторонние силы действуют на заряды в противоположные стороны, а напряжение больше э. д. с.;
• 3) электрические и сторонние силы действуют на заряды в одну сторону.

Первый случай относится к генератору, т. е. к участку цепи, который снабжает электрической энергией другие участки цепи. Его э. д. с. численно равна электрической энергии, приобретенной единичным зарядом. Если R есть сопротивление всего этого участка (включая сюда и внутреннее сопротивление генератора r), а — напряжение на нем, то, когда по нему течет ток I,

Действительно, на основании закона сохранения энергии можно утверждать, что если единичный заряд получил на участке энергию и потерял на нем же энергию на тепловое действие, то у него остается энергия . Эту энергию заряд передает в цепь, присоединенную к генератору. Определив I из (16.37), получим закон Ома для участка цепи, являющегося генератором:

Заметим, что эта формула применима при любой присоединенной к генератору цепи.

Второй случай наблюдают при зарядке аккумулятора и при работе электродвигателя. Электрическая энергия, израсходованная единичным зарядом на таком участке, определяется напряжением (рис. 16.15).

Если сопротивление всего этого участка, а ток в нем I, то энергия, израсходованная в нем единичным зарядом на тепловое действие, равна , а энергия, превратившаяся в другие виды, равна . Таким образом, на основании закона сохранения энергии имеем

откуда получаем закон Ома для участка цепи с противо-э.д.c.:

В третьем случае электрические и сторонние силы направлены в одну сторону. Поэтому заряды будут двигаться в ту же сторону. Это означает, что такой участок обязательно будет потребителем энергии, полученной из остальной цепи. Кроме того, под действием сторонних сил он получает дополнительную энергию. Итак, единичный заряд, получив энергию от остальной цепи, на таком участке цепи получает еще энергию и всю эту энергию расходует на тепловое действие, которое оценивает падением напряжения . Таким образом,

Определив I, получим закон Ома для такого участка цепи:

Объединяя все три случая, можно следующим образом сформулировать закон Ома для участка цепи с э. д. c.: сила тока на участке цепи с э. д. с. прямо пропорциональна алгебраической сумме напряжения и э. д. с. на атом участке и обратно пропорциональна его сопротивлению.

При расчетах, когда знак или не известен, следует пользоваться формулой (16.39). Если в результате решения найденная величина или окажется отрицательной, то это будет означать, что ее действие на заряды в действительности обратно принятому при решении.

Заметим, что для неразветвлённой цепи с несколькими источниками э. д. с. закон Ома для всей цепи имеет вид

где т — число э. д. с., а п — число сопротивлений во всей цепи. Здесь в числителе — алгебраическая сумма всех э. д. с., причем э. д. с. на участке цепи положительна, если по направлению тока потенциал на этом участке возрастает; если же потенциал в этом направлении убывает, то значение э. д. с. берется с минусом.

Для схемы рис. 16.16 формула (16.40) имеет вид

Услуги по физике:

Лекции по физике:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Электрический ток в металлах

Электрическим током в физике называется согласованное (упорядоченное, однонаправленное) перемещение электрически заряженных элементарных частиц (электронов, протонов, ионов) или заряженных макроскопических частиц (например, капель дождя во время грозы). В веществах, находящихся в различных агрегатных состояниях (твердое тело, жидкость, газ) ток может формироваться из разного набора заряженных частиц. Рассмотрим механизм образования электрического тока в металлах.

Свободные электроны в металлах

Вещества, относящиеся к металлам, могут находиться как в твердом, так и в жидком состоянии (ртуть, галлий, цезий и др.). При этом все они являются проводниками электрического тока. Твердые вещества имеют структуру жесткой кристаллической решетки, в узлах которых “сидят” положительно заряженные ионы, совершающие небольшие колебания относительно точки равновесия. В объеме кристалла всегда присутствует большое количество свободных электронов, которые вырвались с орбит атомов в результате механических соударений или воздействия излучений.

Рис. 1. Механизм электрического тока в металлах.

Это электронное “облако” движется беспорядочно, хаотично до тех пор, пока к металлу не будет приложено электрическое поле. Электрическое поле E, созданное внешним источником (батареей, аккумулятором), действует на заряд q с силой F:

Под действием этой силы электроны приобретают ускорение в одном направлении и, таким образом, появляется электрический ток в цепи.

Многочисленные наблюдения показали, что при прохождении электрического тока масса проводников и их химический состав не изменяются. Отсюда следует вывод, что ионы металлов, которые составляют основную массу вещества, не принимают участия в переносе электрического заряда.

Опыт Мандельштама и Папалекси

Электронную природу тока в металле первыми экспериментально доказали российские физики Мандельштам и Папалекси в 1913 г. Для того, чтобы выяснить, какие частицы создают электрический ток в металлах, они — без подключения внешнего источника — регистрировали ток в катушке из металлического провода, которую сначала сильно раскручивали вокруг собственной оси, а затем резко останавливали. Поскольку у электрона есть масса, то он должен подчиняться закону инерции. Поэтому в момент остановки атомы решетки останутся на месте, а свободные электроны по инерции, какое-то время, продолжат движение в прежнем направлении. То есть в цепи должен появиться электрический ток. Эксперименты подтвердил это предположение — после остановки катушки исследователи регистрировали бросок тока в цепи.

Рис. 2. Опыт Мандельштама и Папалекси.

Этот эксперимент в 1916 г. повторили американцы Стюарт и Толмен. Им удалось повысить точность измерений и получить отношение заряда электрона e_э к значению массы электрона m_э:

Этот фундаментальный результат совпал с полученными данными из других экспериментов, поставленных на основе измерения других параметров. Впервые эту величину в 1897 г. измерил англичанин Джозеф Томсон по отклонению пучка электронов в зависимости от напряженности электрического поля.

Скорость распространения электрического тока

Скорость распространения электрического поля в металле близка к скорости света в вакууме, которая равна 300000 км/с. Но это не значит, что электроны внутри вещества двигаются с такой же скоростью. Для проводника с площадью поперечного сечения S = 1 мм 2 при силе тока I = 1 A скорость упорядоченного движения электронов равна v = 6*10 -5 м/с. То есть за одну секунду электроны в проводнике за счет упорядоченного движения проходят всего 0,06 мм.

Такие малые значения скоростей движения электронов в проводниках не приводят к запаздыванию включения электрических ламп, включения бытовых приборов и т.д., так как при подаче напряжения вдоль проводов со скоростью света распространяется электрическое поле. Эта скорость настолько велика, что позволяет приводить в движение свободные электроны практически мгновенно во всех проводниках электрической цепи.

Применение свойств электрического тока в металлах

Физические свойства электрического тока используются в различных областях жизнедеятельности:

• Способность электрического тока нагревать проводники используется для изготовления нагревательных бытовых и промышленных приборов;
• Вокруг провода с электрическим током возникает магнитное поле, что позволило создать электродвигатели, без которых сегодня невозможно обойтись;
• Передача электроэнергии на различные расстояния осуществляется по проводам линий электропередачи (ЛЭП), по которым течет электрический ток.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что электрический ток в металлах создается упорядоченным движением свободных электронов. Экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создают электроны, впервые получили российские физики Мандельштам и Папалекси. Физические свойства электрического тока в металлах позволили создать большое количество бытовых и промышленных устройств.

Что представляет собой электрический ток в металлах

В повседневной практике термин «электричество» относится к потоку движущихся заряженных частиц. Они перемещаются по проводам, соединяющим части электроцепи. Поток электричества называется током. Уже довольно давно ученые выяснили, что наилучшими его проводниками являются металлы. Хотя среди них есть и такие, которые не очень хорошо справляются с подобной задачей. Речь идет о полупроводниках, к которым относятся, например, селен и германий.

Особенности прохождения электрического тока

В ходе исследований ученым удалось понять, какие частицы являются носителями электрических зарядов в металле. Физика доказывает, что электрический ток в металлах — это однонаправленное упорядоченное движение электронов. Создается оно при наличии трёх основных компонентов:

• Устройства, используемого для выработки электроэнергии. Это могут быть батарейки, аккумулятор или обычная штепсельная вилка.
• Проводника, позволяющего осуществлять подачу электроэнергии к нужному потребителю.
• Непрерывной замкнутой петли (провода), которая идёт от одной клеммы источника через различные приборы и обратно к другой клемме источника.

Когда клеммы любого источника соединить, например, с лампочкой, она светится. Это происходит потому, что мы обеспечили путь для протекания тока, т. е., создали электрическую цепь. На рисунке слева один провод от источника подключён к лампочке фонарика, а другой провод — нет: тест выполнен для разомкнутой цепи. На рисунке справа оба провода от источника подключены к лампочке, в данном случае тест проведен для условия, что электроцепь замкнута.

Такой простой эксперимент доказывает, что протекание тока возможно лишь тогда, когда для него создают непрерывный путь, в данном случае от одной клеммы источника через лампу к другой клемме.

Электрическим током в металлах является упорядоченное движение свободных электронов, перемещающихся только в определённом направлении. Если попробовать поменять местами проводники цепи, показанной на рисунке выше, то лампочка не засветится. Следовательно, нужно не просто соединить клеммы с источником, но и выполнить это правильно, соблюдая направление от положительной клеммы электрического элемента к отрицательной клемме.

Как металлы проводят ток

Металлы демонстрируют вид молекулярной связи, называемый металлической связью. Природа проводимости обусловлена наличием электронов, слабо связанных с атомом, вследствие чего они имеют возможность свободно двигаться в слое металла. Следовательно, направленное движение электрозарядов отсутствует, а это означает, что не и электрического тока.

Иное дело, когда к противоположным концам проводника приложена хоть какая-нибудь разность потенциалов. Тогда носители тока в металлах начинают перемещаться однонаправлено. Это происходит, если проводник подключен к любому ИТ. С движением электрозарядов связано и такое явление, как сверхпроводимость — способность материалов проводить ток практически с нулевым сопротивлением.

Природа электропроводимости

Электрическая проводимость — это результат движения частиц с электрическим зарядом. В структуре металлических проводников присутствуют валентные электроны, которые скапливаются на внешней орбите атома и приобретают возможность свободно передвигаться. Благодаря им, металлы обладают способностью проводить ток.

Теория о проводимости металлов была создана немецким физиком П. Друде в 1900 году на основе гипотезы о наличии свободных электрических зарядов в металлических проводниках. Впоследствии развитием данной теории занялся голландский ученый Х. Лоренц. В результате ее стали называть классической электронной теорией. Она позволила понять, что поведение электронов похоже на поведение электронного газа, идеального по своему состоянию. Он способен заполнить пространство вокруг ионов, являющихся основой кристаллической решетки металла.

Наибольшая электропроводность наблюдается у тех металлов, в структуре которых есть лишь один валентный электрон. Перемещаясь, он соударяется с другими частицами, что способствует возникновению сильной реакции отталкивания. Особенно эффективно подобный процесс происходит в проводниках из меди, серебра и золота, которые отличаются высокой электропроводностью.

Не всегда свободные заряженные частицы в металлах являются показателем хорошей электропроводимости. Например, те металлы, которые тускнеют или окисляются (алюминий и его сплавы), имеют свои ограничения для использования в качестве проводников. Особняком здесь стоит ртуть. Являясь жидкостью, она, тем не менее, проводит ток. Но ртуть не относится к электролитам. Такие вещества при растворении в воде распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы. Ртуть не обладает свойством распадаться на катионы и анионы. Поэтому при прохождении электрического тока она не подвергается разложению и не образует новое вещество. Протекание тока через ртуть связано с такими частицами, как электроны, а не ионы.

Факторы, влияющие на электропроводность металлов:

• Температура.Изменение температуры серебра или любого другого проводника изменяет его проводимость. Как правило, повышение температуры увеличивает уровень внутренней энергии атомов и снижает проводимость при одновременном увеличении удельного сопротивления. Зависимость линейна, но нарушается при низких температурах.
• Примеси. Наличие примесей в проводнике снижает его проводимость. Например, серебро 925-й пробы (92.5 % — серебро, остальное — медь) не является таким хорошим проводником, как чистое серебро. Окисленное серебро также не считается хорошим проводником. Примеси препятствуют устойчивому потоку электронов.
• Кристаллическая структура. Если в микроструктуре металла присутствуют разные фазы, проводимость на границе раздела несколько снижается, причём может изменяться от одной структуры к другой. Способ обработки материала также способен повлиять на направленное движение электронов.
• Электромагнитные поля.Когда через проводники проходит электричество, оно генерирует электромагнитные поля. При этом создаётся магнитное поле, перпендикулярное электрическому полю. Внешние электромагнитные поля способствуют возникновению магнитного сопротивления, которое может замедлять течение тока.
• Частота тока. Количество циклов колебаний переменного электрического тока в секунду равно его частоте в герцах. Если эта частота выше определенного уровня, тогда может возникнуть так называемый скин-эффект, когда ток течет вокруг проводника, а не через него. При отсутствии колебаний нет и частоты, поэтому скин-эффект при постоянном токе не возникает.

Механизм прохождения тока в металлах

Этот механизм во многом объясняется понятием скорости дрейфа, которая достигается электроном в результате существования электрического поля. Предполагается, что заряженными частицами управляет именно это поле, расположенное вдоль некоторой плоскости, поэтому правильным будет использование понятия «скорость осевого дрейфа».

Поток тока обусловлен преимущественно наличием свободных электронов. При отсутствии какого-либо внешнего электродвижущего эффекта (он создавался, например, батареей или аккумулятором) свободные электроны беспорядочно перемещаются по металлу из одной точки в другую, давая нулевой ток.

При подключении к батарее (благодаря созданному полю) свободные электроны ускоряются, приобретая необходимые скорость и энергию. Однако этот переход не является гладким, поскольку электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки. В результате чего ионы получают энергию. Поскольку известно, что температура связана с энергией колебаний этих частиц, такие столкновения приводят к повышению температуры металла. Потеря энергии электронами при столкновении и ускорение их электрическим полем вызывают дрейф электронов в определённом направлении.

Хотя фактическое движение электронов неустойчиво, тест свидетельствует, что общий эффект заключается именно в дрейфе электронов. Следовательно, движение электронов в поле является комбинацией перемещений вследствие их столкновений между собой, а дрейфовая скорость обусловлена действием электрического поля.

Дрейфовую скорость электрона можно найти по формуле:

Средняя скорость дрейфа — это половина максимального значения, то есть

Значение средней скорости дрейфа находится в диапазоне 0.6–6 мм/секунду.

Если есть проводник сечением S и длиной l, тогда формула для нахождения тока будет иметь такой вид:

Данная формула — это выражение закона Ома для металлического проводника.

Сферы использования

В быту и технике наблюдается широкое применение электрического тока в металлах. Это связано с его тремя основными действиями:

• Тепловым. Проводник при прохождении тока нагревается. Самые простые примеры применения данного действия — бытовые обогреватели и плиты.
• Химическим. При прохождении тока по проводнику химический состав последнего может изменяться. Это явление называют электролизом. Его особенности позволяют получать некоторые металлы в чистом виде, например, алюминий.
• Магнитным. Магнитная стрелка вблизи проводника, по которому протекает ток, изменяет свое положение.

Электропроводность влияет на эффективность процессов термообработки, на КПД большинства электрических цепей, на величину тепловых потерь при передаче больших мощностей на значительные расстояния. Этот параметр оказывает воздействие даже на далёкие от электричества процессы, например, ферментацию молочнокислых продуктов или различные медицинские исследования.