Mi az elektromos áram fémekben
Alapjai elektronikus vezetési elmélet
Elején a XX század jött létre a klasszikus elektron elmélete fémes vezetési (P. Drude 1900 H.Lorents, 1904), ami adott egy egyszerű és világos magyarázata a legtöbb elektromos és termikus tulajdonságainak fémek.
Vegyünk néhány rendelkezései ezt az elméletet.
szabad elektronok
A fém vezeték tartalmaz:
1) pozitív töltésű ionok. elfordul az egyensúlyi helyzet, és
2) szabad elektronokat. képesek mozogni az egész kötet a karmester.
Így a villamos tulajdonságait fémek jelenléte miatt a szabad elektronok abban koncentrációban körülbelül 10 28 m -3. hogy megközelítőleg megegyezik azzal a koncentráció az atomok. Ezek az elektronok úgynevezett vezetési elektronokat. Ezek előállíthatók a könnyezés a fém atomjainak vegyérték elektronok. Ezek az elektronok nem tartoznak egy adott atom és mozoghat a test térfogata.
A fém hiányában elektromos mező a vezetési elektronok véletlenszerűen mozog és az arc, gyakran rácsos ionokkal (ábra. 1). Mindezen elektronok mintegy tekinthető elektrongáz engedelmeskedik az ideális gáz törvényeket. Az átlagos elektron sebessége hőmozgást szobahőmérsékleten körülbelül 10 5 m / s.
Elektromos áram fémekben
kristályrács fémionok nem vesznek részt a létesítmény jelenlegi. Mozgásuk, amikor a jelenlegi jelentené átadása az anyag mentén vezető, nem figyelhető meg. Például, a kísérletekben E. Riecke (1901), a tömeg és kémiai összetétele a vezeték alatt nem változik az áthaladást a jelenlegi az év során.
- elektromos áram fémek - irányul mozgása szabad elektronokat.
Mivel az elektromos áram fémek alkotnak szabad elektronok, a vezetőképessége fém vezetők úgynevezett elektronvezetőképességgel.
Elektromos áram fémekben bekövetkezik hatására a külső elektromos mező. A vezetési elektronok ezen a területen, egy elektromos erő hat, ez kölcsönöz gyorsulás irányította az ellentétes irányba, hogy a vektor a területen. Ennek eredményeként az elektronok szerezhet néhány további sebesség (úgynevezett drift). Ez az arány növekszik, amíg az elektron nem ütközik a kristályrácsba a fématom. Ha az ilyen ütközések felesleges elektronok elveszítik mozgási energia, az ionok halad meg. Aztán megint, az elektronok felgyorsulnak az elektromos mező által, ionok fékezett újra stb Átlagos elektron driftsebesség nagyon alacsony, mintegy 10 -4 m / s.
- A terjedési sebessége és a drift aktuális sebesség nem azonos. Az arány a jelenlegi terjedési a terjedési sebessége az elektromos mező a térben, azaz 3⋅10 8 m / s.
- Egy ütközés ionok a vezetési elektronok továbbított része az a kinetikus energia az ionok, amelyek növekedéséhez vezet kristályrácsban mozgási energia az ionok, és így a hővezető.
A ellenállása fémek
Az ellenállás fémek magyarázható elektronkibocsátó ütközések rácsos ionok. Ebben az esetben nyilvánvaló, hogy a gyakrabban ilyen ütközések, azaz a. E. Kevesebb, mint az átlagos szabad idő között, elektron ütközés τ, annál nagyobb az ellenállás a fém.
Másfelől, az idő τ függ a távolság a rács ionok, az amplitúdó a rezgések, a kölcsönhatás természetének elektronok ionokkal, elektronok és a termikus mozgási sebesség. Növekvő hőmérséklettel a fém rezgési amplitúdója és sebessége ion mozgás növeli a termikus elektronokat. Ez megnöveli a rácshibasűrűséget. Mindez azt eredményezi, hogy az a tény, hogy egyre nagyobb a hőmérséklet a fém elektront-ion ütközések nagyobb valószínűséggel fordul elő, azaz, idő τ csökken, és a fajlagos ellenállása a fém növekszik.
Lásd. Ugyanebben
Ellenállás a hőmérséklet függvényében
A tapasztalat azt mutatja, hogy a nem túl magas, és nem túl alacsony hőmérséklet-függősége az ellenállás a hőmérséklet által kifejezett lineáris függvény:
\ Rho = \ rho_0 \ cdot (1 + \ alpha \ cdot \ Delta t), \)
ahol At = t - t0. t0 = 0 ° C, ρ0. ρ - ellenállású anyagok vezeték rendre 0 ° C és a T ° C, α - hőmérsékleti együtthatója ellenállás, mért SI Kelvin-fokban mínusz az első (K-1) (vagy a ° C -1).
- A hőmérsékleti együttható ellenállás anyaga - olyan értékre, amely számszerűen egyenlő a relatív változás a fajlagos ellenállása a vezető, ha melegítjük 1 K:
Minden fém vezetékek a-> 0, és csak kis mértékben változik a hőmérséklettel. A legtöbb fém közötti hőmérséklet-tartományban a 0 ° C és 100 ° C-együttható α változik 3,3⋅10 -3 6,2⋅10 -3 K -1 (1. táblázat). A kémiailag tiszta fémek, α = 1/273 K -1.
- Vannak speciális ötvözetek, amelynek ellenállása nem változik lényegesen, ha melegítjük, például, konstantán és mangánból van. A hőmérséklet-együtthatók a rezisztencia nagyon kicsik, és rendre 1⋅10 -5 K -1 és 5⋅10 5 K-1.
Hőmérsékleti együtthatója ellenállás (t 0 ° C-tól 100 ° C-on)
Ha figyelmen kívül hagyjuk a fémes vezetőt mérete változik melegítés hatására azonos lineáris a hőmérséklet és lesz az ellenállása
R_t = R_0 \ cdot (1 + \ alpha \ cdot \ Delta t), \)
A függőség a fajlagos ellenállása ρ a fém vezetékek hőmérséklete T a 2. ábrán látható.
fémek a hőmérsékletfüggését rezisztencia alkalmazott ellenállás hőmérők. Jellemzően, a test a hőmérő termometriás veszi platina huzal, amelynek függés hőállóság kellően tanulmányozott. A hőmérséklet-változások bírálják el a változás ellenállás huzal, amely mérhető. Az ilyen hőmérő lehetővé teszi, hogy az intézkedés nagyon alacsony és nagyon magas hőmérsékleten, ahol a hagyományos folyékony hőmérő nem alkalmas.
szupravezetés
1911-ben, a holland fizikus H. Kamerlingh Onnes tanul változást az elektromos ellenállás higany alacsony hőmérsékleten, és megállapította, hogy a hőmérsékleten körülbelül 4 K (azaz a -269 ° C-on) az ellenállás hirtelen csökkenése (3.), Hogy nulla. Ez a jelenség H. Kamerlingh Onnes úgynevezett szupravezetés.
H. Kamerlingh Onnes-ben elnyerte a fizikai Nobel-díjat 1913-ban „a tanulmány az anyag tulajdonságának alacsony hőmérsékleten.”
Később azt találták, hogy több mint 25 kémiai elemek - fém nagyon alacsony hőmérsékleten válnak szupravezetők. Mindegyiknek megvan a saját kritikus hőmérséklete átmenet állapotában nulla ellenállás. A legalacsonyabb érték annak a volfrám - 0,012 K, a legmagasabb a nióbium - 9 K.
A szupravezetés figyelhető nemcsak tiszta fémek, hanem számos kémiai vegyületek és ötvözetek. Továbbá, ezek az elemek része a szupravezető vegyület nem lehet szupravezetők. Például Nibi, Au2 Bi, PdTe, PtSb és mások.
1986-ig voltak ismertek szupravezetők ilyen tulajdonságokkal rendelkező, nagyon alacsony hőmérsékleten - alatti -259 ° C-on Azokban az években 1986-1987 anyagok egy átmeneti hőmérséklete fedeztek fel a szupravezető állapotba körüli -173 ° C-on Ezt a jelenséget nevezzük magas hőmérsékletű szupravezetés. és megfigyeljük, hogy lehet használni folyékony nitrogén helyett folyékony hélium.
Széles alkalmazások szupravezetés közelmúltig akadályozta kapcsolatos nehézségek a szükségességét lehűtés kriogén hőmérsékletek, amelynek felhasználásával a folyékony hélium. Mindazonáltal, annak ellenére, hogy bonyolult a berendezések, a vízhiány és a magas költségek hélium, a 60-es években a XX század szupravezető mágnesek nélkül a hőveszteséget a tekercsek, így gyakorlatilag lehetséges erős mágneses mezők, viszonylag nagy térfogatban. Ezek a mágnesek létrehozásához szükséges berendezések a szabályozott termonukleáris fúzió mágneses térben az erőteljes részecskegyorsító. A szupravezetők használják különböző mérőeszközök, elsősorban a műszerek nagyon gyenge mágneses mezők nagy pontossággal.
Alapján szupravezető filmek, számos nagy sebességű logikai és memória elemei egy számítástechnikai eszköz. Ha űrkutatás ígéretes használni szupravezető elektromágnesek sugárzás védelméhez űrhajósok dokkoló hajó, a fékezést és a tájolás plazma rakéta motorok.
Abban a pillanatban létrehozott kerámia anyagok, amelyek a szupravezetés magasabb hőmérsékleten - több mint 100 K, azaz feletti hőmérsékleten a nitrogén forráspontja hőmérsékleten. Hűlni szupravezetők folyékony nitrogénnel, ami egy nagyságrenddel nagyobb párolgási hője, jelentősen egyszerűsíti és csökkenti a költségeit a kriogén berendezések, ígéri hatalmas gazdasági hatása.
Lásd. Ugyanebben
Hátrányai elektronikus vezetési elmélet
Annak ellenére, hogy az elektronikus vezetőképesség fémek elmélet megmagyarázza néhány olyan jelenséget, ez is megvannak a hátrányai.
- Az elmélet azt jelezte, hogy az ellenállás arányosnak kell lennie négyzetgyöke a hőmérséklet (\ (
\ Rho \ sim \ sqrt T \)), eközben tapasztalata szerint, p
T.az említett hátrányok azt mutatják, hogy a klasszikus elektron elmélet, ami az elektron, mint egy anyagi pont, engedelmeskedve a klasszikus mechanika törvényei, nem vette figyelembe a néhány konkrét tulajdonságait az elektron, amelyek még nem voltak ismertek az elején a XX században. Ezek a tulajdonságok jöttek létre később a tanulmány atomi szerkezetét, és 1924-ben egy új, úgynevezett kvantum vagy hullám mechanika elektron mozgás jött létre.