Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!
Elektrický proud v kovech je uspořádaný pohyb volných elektronů. Přečtěte si více o tom později v našem článku.
Důležité vědět
Jak víte, elektrický proud je uspořádaný tok nosičů elektrického náboje. Nosiče jsou nabité částice, které se mohou volně pohybovat po celém těle.
V případě kovů jsou tyto částice elektrony, které se uvolňují, když se vytvoří vazba mezi atomy kovů.
Je známo, že kovy v pevném stavu mají krystalickou strukturu. Částice v krystalech jsou uspořádány v určitém pořadí a tvoří prostorovou mřížku (krystal).
Krystalovou mřížku kovu nakonec tvoří kladné ionty ponořené do „oblaku“ náhodně se pohybujících tzv. volných elektronů, nazývaných také vodivostní elektrony. V závislosti na mocenství atomů kovu může jeden atom při tvorbě kovových vazeb uvolnit jeden až tři elektrony. Počet takto uvolněných elektronů se přímo promítá do počtu nosičů náboje. To je jeden z faktorů ovlivňujících schopnost kovu vést elektřinu.
Důkazem, že proud v kovech způsobují elektrony, byly experimenty našich domácích fyziků Leonida Isaakoviče Mandelstama a Nikolaje Dmitrieviče Papaleksiho a také amerických fyziků Balfoura Stewarta a Roberta Tolmana.
Schopnost kovu vést elektřinu lze popsat fyzikální veličinou zvanou elektrický odpor. Tato fyzikální veličina se označuje řeckým písmenem ρ (čteno jako „ro“).Jednotkou měrného odporu je Ohm m, tzn. ohm produktu na metr. Odpor je konstanta, která charakterizuje materiál a má různé hodnoty pro různé materiály. Například měrný odpor mědi je 1,7210-8Ohm m. To znamená, že elektrický odpor měděného vodiče o délce 1 metr a ploše průřezu 1 m je 1,7210-8 Ohm . Obecně platí, že čím nižší je měrný odpor materiálu, tím lépe vede elektřinu.
Tabulka níže ukazuje některé příklady měrného odporu běžně používaných kovů.
| Metal | Odpor (Ohm m) |
| Stříbrná | 1,5910-8 |
| Měď | 1,7210-8 |
| Hliník | 2,8210-8 |
| Tungsten | 5,610-8 |
| Železo | 1010-8 |
Elektrický odpor může souviset s mikroskopickými vlastnostmi materiálu. Zejména záleží na koncentraci nosičů náboje a jejich pohyblivosti.
Pohyb volných elektronů v kovech není zcela „volný“, protože při svém pohybu interagují s jinými elektrony a především s ionty krystalové mřížky. Specifičnost tohoto pohybu popisuje tzv. klasický model vodivosti.
Hlavní předpoklady a závěry tohoto modelu jsou uvedeny ve velkém zjednodušení níže.
Klasický vodivostní model
Bez vnějšího elektrického pole provádějí elektrony tepelné chaotické pohyby, vzájemně se srážejí a také se srážejí s ionty krystalové mřížky. V důsledku takového pohybu se průměrná poloha elektronů prakticky nemění (viz obr. 1.).
Rýže. 1. Příklad trajektorie elektronu při jeho chaotickém tepelném pohybu v kovu
Vzhledem ke kvantovým efektům, a zejména kvůli Pauliho vylučovacímu principu, který zabraňuje všem elektronům, aby obsadily nejnižší energetický stav, je průměrná rychlost elektronů v kovech spojená s jejich náhodným tepelným pohybem větší než rychlost částic v klasickém ideálním plynu o stejné teplotě. Je to asi 10 m/s.
Pokud se na konce vodiče délky L přivede elektrické napětí U, objeví se v něm elektrické pole o síle E=U / L
Při působení tohoto vnějšího pole se podle druhého zákona dynamiky elektrony zrychlují: a=F / m,
kde F=eE je síla, kterou elektrické pole působí na elektron s nábojem e. Zrychlení elektronu je tedy: a=eE / m .
Zrychlený pohyb elektronu trvá jen poměrně krátkou dobu, dokud se nesrazí s iontemkrystalové mřížky.V důsledku takové srážky ztratí elektron téměř veškerou svou kinetickou energii. Zpomalený elektron však nezůstane v klidu – vlivem elektrického pole se opět zrychlí, opět se srazí s jedním z iontů z iontu krystalové mřížky a tak dále. Tento efekt přidává k rychlosti tepelných pohybů další směrovanou průměrnou rychlost u, která má v důsledku záporného náboje elektronu opačný směr než je síla vnějšího elektrického pole. Tato rychlost se nazývá průměrná rychlost driftu (obrázek 2).
Rýže. 2. Drift elektronů působením vnějšího elektrického pole
Ve vodiči začne protékat elektrický proud o síle proudu I (viz obrázek 3).
Rýže. 3. Unášené elektrony se srážejí s ionty krystalové mřížky
Za předpokladu, že pohyb elektronu se mezi srážkami s mřížkovými ionty rovnoměrně zrychluje, se zrychlením a=eE/m , a za předpokladu, že elektron v důsledku srážky předá veškerou svou kinetickou energii krystalové mřížce, můžeme vypočítat rychlost, kterou vyvine elektron při jeho volném pohybu: v=aτ .V tomto vzorci je τ průměrný časový interval mezi následujícími srážkami driftujícího elektronu s ionty krystalové mřížky.
Protože při rovnoměrně zrychleném pohybu bez počáteční rychlosti je průměrná rychlost aritmetickým průměrem počáteční (nulové) a konečné rychlosti, dostáváme: u=v / 2=eEτ / 2m .
Ze získaného vzorce vyplývá, že driftová rychlost je kromě vnějšího elektrického pole určena průměrným časovým intervalem mezi srážkami elektronů s mřížkovými ionty. Tento parametr závisí na mnoha faktorech (včetně teploty, krystalové struktury kovu, defektů v krystalové struktuře, nečistot) a jak se ukazuje, významně ovlivňuje elektrický odpor materiálu.
Průměrná driftová rychlost elektronů je asi 10-4m/s. Je velmi malá ve srovnání s rychlostí tepelného pohybu, která je asi 106 m/s.
Klasická teorie vodivosti docela dobře popisuje fenomén elektrické vodivosti v kovech. Tato teorie však nemůže vysvětlit experimentálně pozorovanou závislost elektrického odporu na teplotě.
Důvodem zmíněného selhání klasické teorie vodivosti je, že nezohledňuje vliv mřížkových iontů na pohyb elektronů mezi srážkami. Realističtější výsledky přináší kvantová teorie vedení, která popisuje elektrony jako částice podléhající kvantové statistice, pohybující se v periodickém elektrickém poli vytvářeném kladnými ionty mřížky.
Závěry srozumitelným jazykem
Absolutní hodnota záporného náboje všech volných elektronů je rovna kladnému náboji všech iontů mřížky. Proto je za normálních podmínek kov elektricky neutrální. Volné elektrony se v něm pohybují náhodně. Ale pokud se v kovu vytvoří elektrické pole, pak se volné elektrony začnou pohybovat ve směru působením elektrických sil. Bude tam elektrický proud. Zároveň je zachován náhodný pohyb elektronů, stejně jako je zachován náhodný pohyb v hejnu pakomárů, když se vlivem větru pohybuje jedním směrem.
« Rychlost pohybu samotných elektronů ve vodiči působením elektrického pole je malá - několik milimetrů za sekundu a někdy i méně. Jakmile ale ve vodiči vznikne elektrické pole, šíří se po celé délce vodiče obrovskou rychlostí blízkou rychlosti světla ve vakuu (300 000 km/s). »
Peryshkin A.V. Physics 8. - M.: Drop, 2010
Například elektrický signál vyslaný např. po drátě z Moskvy do Vladivostoku (s=8000 km) tam dorazí za cca 0,03 s.
Současně s šířením elektrického pole se všechny elektrony začnou pohybovat stejným směrem po celé délce vodiče. Takže například když je obvod elektrické lampy uzavřen, elektrony ve spirále lampy se také pohybují uspořádaně.
Porovnání elektrického proudu s prouděním vody ve vodovodním systému a šíření elektrického pole s šířením tlaku vody nám to pomůže pochopit.Při vzlínání vody do vodní nádrže se tlak (tlak) vody velmi rychle šíří po celém vodovodním systému. Když otevřeme kohoutek, voda je již pod tlakem a okamžitě začne téct. Ale voda, která byla v kohoutku, teče a voda z věže se do kohoutku dostane mnohem později, protože voda se pohybuje pomaleji než tlak.
Když mluví o rychlosti šíření elektrického proudu ve vodiči, myslí tím rychlost šíření elektrického pole podél vodiče.