Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!
Elektrický prúd v kovoch je usporiadaný pohyb voľných elektrónov. Prečítajte si viac o tom neskôr v našom článku.
Dôležité vedieť
Ako viete, elektrický prúd je usporiadaný tok nosičov elektrického náboja. Nosiče sú nabité častice, ktoré sa môžu voľne pohybovať po celom tele.
V prípade kovov sú tieto častice elektróny, ktoré sa uvoľňujú pri vytváraní väzby medzi atómami kovov.
Je známe, že kovy v pevnom stave majú kryštalickú štruktúru. Častice v kryštáloch sú usporiadané v určitom poradí a vytvárajú priestorovú mriežku (kryštál).
Konečne, kryštálovú mriežku kovu tvoria kladné ióny ponorené do „oblaku“ náhodne sa pohybujúcich takzvaných voľných elektrónov, nazývaných aj vodivé elektróny. V závislosti od mocnosti atómov kovu môže jeden atóm uvoľniť jeden až tri elektróny počas tvorby kovových väzieb. Počet takto uvoľnených elektrónov sa priamo premieta do počtu nosičov náboja. Toto je jeden z faktorov ovplyvňujúcich schopnosť kovu viesť elektrinu.
Dôkazom, že prúd v kovoch spôsobujú elektróny, boli experimenty našich domácich fyzikov Leonida Isaakoviča Mandelstama a Nikolaja Dmitrievicha Papaleksiho, ako aj amerických fyzikov Balfoura Stewarta a Roberta Tolmana.
Schopnosť kovu viesť elektrinu možno opísať fyzikálnou veličinou nazývanou elektrický odpor. Táto fyzikálna veličina sa označuje gréckym písmenom ρ (čítaj ako „ro“).Jednotkou odporu je Ohm m, t.j. ohmový produkt na meter. Odpor je konštanta, ktorá charakterizuje materiál a má rôzne hodnoty pre rôzne materiály. Napríklad merný odpor medi je 1,7210-8Ohm m. To znamená, že elektrický odpor medeného vodiča s dĺžkou 1 meter as plochou prierezu 1 m je 1,7210-8 Ohm . Vo všeobecnosti platí, že čím nižší je odpor materiálu, tým lepšie vedie elektrinu.
Tabuľka nižšie ukazuje niekoľko príkladov rezistivity bežne používaných kovov.
| Metal | Odpor (Ohm m) |
| Striebro | 1,5910-8 |
| Meď | 1,7210-8 |
| Hliník | 2,8210-8 |
| Tungsten | 5,610-8 |
| Železo | 1010-8 |
Elektrický odpor môže súvisieť s mikroskopickými vlastnosťami materiálu. Závisí to najmä od koncentrácie nosičov náboja a ich pohyblivosti.
Pohyb voľných elektrónov v kovoch nie je úplne „voľný“, pretože pri svojom pohybe interagujú s inými elektrónmi a predovšetkým s iónmi kryštálovej mriežky. Špecifickosť tohto pohybu popisuje takzvaný klasický model vodivosti.
Hlavné predpoklady a závery tohto modelu sú uvedené vo veľkom zjednodušení nižšie.
Klasický model vodivosti
Bez vonkajšieho elektrického poľa vykonávajú elektróny tepelné chaotické pohyby, pričom sa navzájom zrážajú a tiež sa zrážajú s iónmi kryštálovej mriežky. V dôsledku takéhoto pohybu sa priemerná poloha elektrónov prakticky nemení (viď obr. 1.).
Ryža. 1. Príklad trajektórie elektrónu pri jeho chaotickom tepelnom pohybe v kove
V dôsledku kvantových efektov a najmä Pauliho vylučovacieho princípu, ktorý bráni všetkým elektrónom obsadiť najnižší energetický stav, je priemerná rýchlosť elektrónov v kovoch spojená s ich náhodným tepelným pohybom väčšia ako rýchlosť častíc v klasickom ideálnom plyne rovnakej teploty. Je to asi 10 m/s.
Ak sa na konce vodiča dĺžky L privedie elektrické napätie U, objaví sa v ňom elektrické pole so silou E=U / L
Pod pôsobením tohto vonkajšieho poľa sa podľa druhého zákona dynamiky elektróny zrýchľujú: a=F / m,
kde F=eE je sila, ktorou elektrické pole pôsobí na elektrón s nábojom e. Zrýchlenie elektrónu je teda: a=eE / m .
Zrýchlený pohyb elektrónu trvá len pomerne krátko, kým sa zrazí s iónomkryštálovej mriežky.V dôsledku takejto zrážky elektrón stratí takmer všetku svoju kinetickú energiu. Spomalený elektrón však nezostane v pokoji – vplyvom elektrického poľa sa opäť zrýchli, opäť sa zrazí s jedným z iónov z iónu kryštálovej mriežky a pod. Tento efekt pridáva k rýchlosti tepelných pohybov dodatočnú smerovanú priemernú rýchlosť u, ktorá má v dôsledku záporného náboja elektrónu opačný smer ako je sila vonkajšieho elektrického poľa. Táto rýchlosť sa nazýva priemerná rýchlosť driftu (obrázok 2).
Ryža. 2. Drift elektrónov pôsobením vonkajšieho elektrického poľa
Vo vodiči začne tiecť elektrický prúd so silou prúdu I (pozri obrázok 3).
Ryža. 3. Unášané elektróny sa zrážajú s iónmi kryštálovej mriežky
Za predpokladu, že pohyb elektrónu sa medzi zrážkami s mriežkovými iónmi zrýchľuje rovnomerne, so zrýchlením a=eE / m , a za predpokladu, že elektrón v dôsledku zrážky odovzdá všetku svoju kinetickú energiu kryštálovej mriežke, môžeme vypočítať rýchlosť, ktorou sa vyvinie elektrón pri voľnom pohybe: v=aτ .V tomto vzorci je τ priemerný časový interval medzi nasledujúcimi zrážkami driftujúceho elektrónu s iónmi kryštálovej mriežky.
Keďže pri rovnomerne zrýchlenom pohybe bez počiatočnej rýchlosti je priemerná rýchlosť aritmetickým priemerom počiatočnej (nulovej) a konečnej rýchlosti, dostaneme: u=v / 2=eEτ / 2m .
Zo získaného vzorca vyplýva, že driftová rýchlosť je okrem vonkajšieho elektrického poľa určená aj priemerným časovým intervalom medzi zrážkami elektrónov s mriežkovými iónmi. Tento parameter závisí od mnohých faktorov (vrátane teploty, kryštálovej štruktúry kovu, defektov v kryštálovej štruktúre, nečistôt) a ako sa ukazuje, výrazne ovplyvňuje elektrický odpor materiálu.
Priemerná driftová rýchlosť elektrónov je asi 10-4m/s. Je veľmi malá v porovnaní s rýchlosťou tepelného pohybu, ktorá je asi 106 m/s.
Klasická teória vodivosti celkom dobre popisuje fenomén elektrickej vodivosti v kovoch. Táto teória však nedokáže vysvetliť experimentálne pozorovanú závislosť elektrického odporu od teploty.
Dôvodom spomínaného zlyhania klasickej teórie vodivosti je, že nezohľadňuje vplyv mriežkových iónov na pohyb elektrónov medzi zrážkami. Reálnejšie výsledky prináša kvantová teória vedenia, ktorá popisuje elektróny ako častice podliehajúce kvantovej štatistike, pohybujúce sa v periodickom elektrickom poli vytvorenom kladnými iónmi mriežky.
Závery v zrozumiteľnej reči
Absolútna hodnota záporného náboja všetkých voľných elektrónov sa rovná kladnému náboju všetkých iónov mriežky. Preto je za normálnych podmienok kov elektricky neutrálny. Voľné elektróny sa v ňom pohybujú náhodne. Ak sa však v kove vytvorí elektrické pole, voľné elektróny sa začnú pôsobením elektrických síl pohybovať v smere. Bude tam elektrický prúd. Zároveň je zachovaný náhodný pohyb elektrónov, tak ako je zachovaný náhodný pohyb v kŕdli pakomárov, keď sa vplyvom vetra pohybuje jedným smerom.
« Rýchlosť pohybu samotných elektrónov vo vodiči pri pôsobení elektrického poľa je malá - niekoľko milimetrov za sekundu a niekedy aj menej. Akonáhle ale vo vodiči vznikne elektrické pole, šíri sa po celej dĺžke vodiča obrovskou rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla vo vákuu (300 000 km/s). »
Peryshkin A.V. Physics 8. - M.: Drop, 2010
Napríklad elektrický signál vyslaný napríklad drôtom z Moskvy do Vladivostoku (s=8000 km) tam dorazí za cca 0,03 s.
Súčasne so šírením elektrického poľa sa všetky elektróny začnú pohybovať rovnakým smerom po celej dĺžke vodiča. Takže napríklad, keď je obvod elektrickej lampy uzavretý, elektróny v špirále lampy sa tiež pohybujú usporiadaným spôsobom.
Porovnanie elektrického prúdu s prietokom vody vo vodovodnom systéme a šírenia elektrického poľa so šírením tlaku vody nám to pomôže pochopiť.Pri stúpaní vody do vodnej nádrže sa tlak (tlak) vody veľmi rýchlo šíri po celom vodovodnom systéme. Keď otočíme kohútik, voda je už pod tlakom a okamžite začne tiecť. Ale voda, ktorá bola v kohútiku tečie a voda z veže sa do kohútika dostane oveľa neskôr, pretože voda sa pohybuje pomalšou rýchlosťou ako je tlak.
Keď hovoria o rýchlosti šírenia elektrického prúdu vo vodiči, myslia tým rýchlosť šírenia elektrického poľa pozdĺž vodiča.