Почему проводимость металлов электронная

Обновлено: 08.01.2025

Электронная проводимость металлов была впервые экспериментально доказана немецким физиком Э.Рикке в 1901 г. Через три плотно прижатых друг к другу отполированных цилиндра — медный, алюминиевый и снова медный — длительное время (в течение года) пропускали электрический ток. Общий заряд, прошедший за это время, был равен 3.5·10 6 Кл. Поскольку массы атомов меди и алюминия существенно отличаются друг от друга, то массы цилиндров должны были бы заметно измениться, если бы носителями заряда были ионы. Результаты опытов показали, что масса каждого из цилиндров осталась неизменной. В соприкасающихся поверхностях были обнаружены лишь незначительные следы взаимного проникновения металлов, которые не превышали результатов обычной диффузии атомов в твердых телах. Следовательно, свободными носителями заряда в металлах являются не ионы, а такие частицы, которые одинаковы и в меди, и в алюминии. Такими частицами могли быть только электроны.

Прямое и убедительное доказательство справедливости этого предположения было получено в опытах, поставленных в 1913 г. Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси и в 1916 г. Т. Стюартом и Р. Толменом.

На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга (рис. 1). К концам дисков с помощью скользящих контактов присоединяют гальванометр.

Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы будут некоторое время двигаться вдоль проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникнет электрический ток. Ток будет существовать короткое время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц прекращается.

Направление тока говорит о том, что он создается движением отрицательно заряженных частиц. Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т.е. \(~\Delta q = \frac\). Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за все время существования тока в цепи, удалось определить отношение \(~\frac\). Оно оказалось равным 1,8·10 11 Кл/кг. Эта величина совпадает с отношением заряда электрона к его массе, найденным ранее из других опытов.

Таким образом, электрический ток в металлах создается движением отрицательно заряженных частиц электронов. Согласно классической электронной теории проводимости металлов (П. Друде, 1900 г., Х.Лоренц, 1904 г.), металлический проводник можно рассматривать как физическую систему совокупности двух подсистем:

свободных электронов с концентрацией ~ 10 28 м -3 и
положительно заряженных ионов, колеблющихся около положения равновесия.

Появление свободных электронов в кристалле можно объяснить следующим образом.

При объединении атомов в металлический кристалл слабее всего связанные с ядром атома внешние электроны отрываются от атомов (рис. 2). Поэтому в узлах кристаллической решетки металла располагаются положительные ионы, а в пространстве между ними движутся электроны, не связанные с ядрами своих атомов. Эти электроны называются свободными или электронами проводимости. Они совершают хаотическое движение, подобное движению молекул газа. Поэтому совокупность свободных электронов в металлах называют электронным газом.

Если к проводнику приложено внешнее электрическое поле, то на беспорядочное хаотическое движение свободных электронов накладывается направленное движение под действием сил электрического поля, что и порождает электрический ток. Скорость движения самих электронов в проводнике — несколько долей миллиметра в секунду, однако возникающее в проводнике электрическое поле распространяется по всей длине проводника со скоростью, близкой к скорости света в вакууме (3·10 8 м/с).

Так как электрический ток в металлах образуют свободные электроны, то проводимость металлических проводников называется электронной проводимостью.

Электроны под влиянием постоянной силы, действующей со стороны электрического поля, приобретают определенную скорость упорядоченного движения (ее называют дрейфовой). Эта скорость не увеличивается в дальнейшем со временем, так как при столкновении с ионами кристаллической решетки электроны передают кинетическую энергию, приобретенную в электрическом поле, кристаллической решетке. В первом приближении можно считать, что на длине свободного пробега λ (это расстояние, которое электрон проходит между двумя последовательными столкновениями с ионами) электрон движется с ускорением \(~a = \frac\) и его дрейфовая скорость линейно возрастает со временем\[~\upsilon = at = \frac\]. В момент столкновения электрон передает кинетическую энергию кристаллической решетке. Потом он опять ускоряется, и процесс повторяется. В результате средняя скорость упорядоченного движения электронов пропорциональна напряженности электрического поля в проводнике \(~\mathcal h \upsilon \mathcal i \sim E\) и, следовательно, разности потенциалов на концах проводника, так как \(~E = \frac Ul\), где l — длина проводника.

Известно, что сила тока в проводнике пропорциональна скорости упорядоченного движения частиц\[~I = en \mathcal h \upsilon \mathcal i S\], а значит, согласно предыдущему, сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника: I ~ U. В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе классической электронной теории проводимости металлов.

Однако в рамках этой теории возникли трудности. Из теории следовало, что удельное сопротивление должно быть пропорционально корню квадратному из температуры (\(~\rho \sim \sqrt T\)), между тем, согласно опыту, ρ ~ Т. Кроме того, теплоемкость металлов, согласно этой теории, должна быть значительно больше теплоемкости одноатомных кристаллов. В действительности теплоемкость металлов мало отличается от теплоемкости неметаллических кристаллов. Эти трудности были преодолены только в квантовой теории.

В 1911 г. голландский физик Г. Камерлинг-Оннес, изучая изменение электрического сопротивления ртути при низких температурах, обнаружил, что при температуре около 4 К (т.е. при -269 °С) удельное сопротивление скачком уменьшается (рис. 1) практически до нуля. Это явление обращения электрического сопротивления в нуль Г. Камерлинг-Оннес назвал сверхпроводимостью.

В дальнейшем было выяснено, что более 25 химических элементов — металлов при очень низких температурах становятся сверхпроводниками. У каждого из них своя критическая температура перехода в состояние с нулевым сопротивлением. Самое низкое значение ее у вольфрама — 0,012 К, самое высокое у ниобия — 9 К.

Сверхпроводимость наблюдается не только у чистых металлов, но и у многих химических соединений и сплавов. При этом сами элементы, входящие в состав сверхпроводящего соединения, могут и не являться сверхпроводниками. Например, NiBi, Au₂Bi, PdTe, PtSb и другие.

Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают необычными свойствами:

электрический ток в сверхпроводнике может существовать длительное время без источника тока;
внутри вещества в сверхпроводящем состоянии нельзя создать магнитное поле:
магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости. Сверхпроводимость — явление, объясняемое с точки зрения квантовой теории. Достаточно сложное его описание выходит за рамки школьного курса физики.

Широкому применению сверхпроводимости до недавнего времени препятствовали трудности, связанные с необходимостью охлаждения до сверхнизких температур, для чего использовался жидкий гелий. Тем не менее, несмотря на сложность оборудования, дефицитность и дороговизну гелия, с 60-х годов XX века создаются сверхпроводящие магниты без тепловых потерь в их обмотках, что сделало практически возможным получение сильных магнитных полей в сравнительно больших объемах. Именно такие магниты требуются для создания установок управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы, для мощных ускорителей заряженных частиц. Сверхпроводники используются в различных измерительных приборах, прежде всего в приборах для измерения очень слабых магнитных полей с высочайшей точностью.

В настоящее время в линиях электропередачи на преодоление сопротивления проводов уходит 10 - 15 % энергии. Сверхпроводящие линии или хотя бы вводы в крупные города принесут громадную экономию. Другая область применения сверхпроводимости — транспорт.

На основе сверхпроводящих пленок создан ряд быстродействующих логических и запоминающих элементов для счетно-решающих устройств. При космических исследованиях перспективно использование сверхпроводящих соленоидов для радиационной защиты космонавтов, стыковки кораблей, их торможения и ориентации, для плазменных ракетных двигателей.

В настоящее время созданы керамические материалы, обладающие сверхпроводимостью при более высокой температуре — свыше 100 К, то есть при температуре выше температуры кипения азота. Возможность охлаждать сверхпроводники жидким азотом, который имеет на порядок более высокую теплоту парообразования, существенно упрощает и удешевляет все криогенное оборудование, обещает огромный экономический эффект.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 279-282.

Основные сведения о электронной проводимости металлов в физике

Классическая (кинетическая) теория электропроводности металлов: понятие, обоснование

Электропроводность металлов — возможность тела (или же среды) проводить электрический ток; свойство объекта, среды, которое определяет формирование электрического тока в них под воздействием электрического поля.

Классическая теория электропроводности металлов была разработана и сформулирована в 1900 году немецким ученым-физиком Паулем Друде. Пауль Друде пользовался общими законами механики, законом Ома и другими.

Так выглядел Пауль Друде:

Эта теория была доработана другим ученым, Лоренцо. Сейчас данная теория является классической, а также актуальной в области проводимости металлов. Так теория электропроводности металлов называется теорией Друде-Лоренцо.

По данной теореме, носители тока в металлах могут быть только свободные электроны.

Друде считал, что электроны в металлах находятся в подчиненном состоянии, их можно описать посредством уравнения молекулярно-кинетической теории. Если говорить иными словами, свободные электроны в металлах подчинены законам МКТ (молекулярно-кинетической теории), они образуют «электронный газ».

Передвигаясь внутри металла, электроны ударяются между собой, а также кристаллической решеткой. Так проявляется электрическое сопротивление проводника. Между тем как электроны ударяются друг о друга, по аналогии с длиной свободного пробега молекул газа с идеальными характеристиками, они способны преодолеть усредненный путь, который принимается за λ .

Без воздействия электрического поля, которое ускоряет электроны, кристаллическая решетка, а также электронный газ стремятся к положению теплового равновесия.

Представим базовые положения теории Пауля Друде:

Взаимодействие электрона с иными ионами и электронами не учитывают между столкновениями.
Столкновения происходят мгновенно, они резко изменяют скорость электронов.
Вероятность для электрона почувствовать столкновение в какую-то единицу времени будет равна соотношению 1 τ .
Состояние термодинамического равновесия может достигаться с помощью столкновения.

Несмотря на то, что в теории достаточно много допущений, учение Друде-Лоренца может объяснить эффект Холла, теплопроводность металлов, а также феномен удельной проводимости. Из-за этого данная доктрина актуальна и в наши дни, хотя ответить на большую часть вопросов (к примеру, вопрос, почему в металле находятся свободные электроны и ионы) смогла лишь квантовая теория твердого тела.

В рамках учения Друде объясняется то, как происходит сопротивление металлов. Это явное преимущество теории. Сопротивление обуславливается взаимными ударениями электронов с узлами кристаллической решетки. Выделение тепла по закону Джоуля-Ленца тоже происходит из-за того, что электроны взаимно ударяются с ионами кристаллической решетки.

Передача тепла в металлах происходит с помощью электронов, а не при помощи кристаллической решетки.

Теория Друде не смогла объяснить такие явления, как, например, сверхпроводимость. Ее нельзя применить в сильных магнитных полях, в слабых магнитных полях данное учение может потерять свои свойства из-за квантовых явлений.

Среднюю скорость электронов возможно вычислить по формуле для газа с идеальными характеристиками: ( u p s i l o n ) = 8 k T π m , где

k — постоянная Больцмана;
t — температура металла;
m — масса электрона.

Если включается внешнее электрическое поля, на движение частиц электронного газа хаотичного характера накладывается упорядоченное движение электронов под воздействием сил поля, когда электроны совершают упорядоченные движения со средней скоростью в ( u ) .

Величина скорости может быть оценена в рамках соотношения: j = n q ( u ) . В данном соотношении:

j — плотность тока;
n — концентрация свободных электронов;
q — заряд электрона.

Если плотность тока большая, то расчеты будут давать такой итог: средняя скорость движения электронов хаотичного характера во много раз (примерно в 10 8 ) больше скорости упорядоченного движения под воздействием электрического поля.

В случае вычисления суммарной скорости считают, что ∣ ( v + u ) ∣ ≈ ∣ v ∣ .

Недостатки электронной теории проводимости

Лоренцем были произведены вычисления в виде: [ x σ = 3 ( k e ) 2 T . Данные расчеты считаются уточненными вычислениями с учетом классического распространения по скоростям. Они вызвали замену теоретической формулы множителя 3 на 2, что привело к быстрому увеличению расхождения опыта с теорией.

Второй недостаток классического электронного закона возникает в процессе сопоставления с опытом вычисления и формул для теплоемкостей.

Так по электронному закону теплоемкость единицы объема электронного газа будет равна C = 3 2 k n , где показатель n будет концентрацией электронов свободного типа. Теплоемкость, которая относится к одному электрону: C = 3 2 k n .

Давайте приведем пример одного килограмма атома одновалентного металла. В его составе есть N = 6 , 02 × 10 26 ионов, которые колеблются около собственных положений равновесия, а также N электронов свободного типа.

Колебательная теплоемкость твердого тела, согласно закону Дюлонга и Пти будет равна C = 3 R . Так теплоемкость электронного газа будет вычисляться по следующей формуле: C = 3 2 k N = 3 2 R .

Таким образом получается, что, согласно электронному закону теплоемкость одновалентных металлов должна составлять C = C 1 + C 2 = 9 2 R . Но по опыту получается так, что теплоемкость металлов, как и теплоемкость твердых диэлектриков, по закону Дюлонга и Пти, близится к 3 R . Так появилось непонятное и неожиданное явление практического отсутствия теплоемкости у электронного газа.

Третий недостаток классической электронной теории металлов считается невозможность хорошо объяснить при помощи данного закона зависимость температур сопротивления. Опыты показывают, что сопротивление металлических проводников постепенно растет вместе с температурой по закону R = R ( 1 + a T ) . То есть проводимость является обратно пропорциональной к абсолютной температуре в первой степени. Так σ = 1 T .

По классической теории проводимость является обратно пропорциональной T . В конце концов появились различные трудности в оценке средней длины свободного пробега электронов в металле.

Для того чтобы получились величины удельной электрической проводимости металла при использовании формулы, которые не имели бы отличий с опытными значениями, приходилось принимать среднюю длину свободного пробега электронов размером в сотни раз больше, чем период металлической решетки.

Другими словами, нужно предполагать, что электрон может проходить без взаимного ударения с ионами решетки сотни расстояний (межузельных). Данное предположение является странным в рамках классического электронного закона Друде-Лоренца.

Противоречия, которые приведены выше, указывают на тот факт, что классическая электронная теория, представляющая электрон как материальную точку, подчиняющуюся законам классической механики, не брала во внимание некоторые особенности электрона.

Они были еще не известны во времена, когда закон создавался. Данные свойства были найдены позднее, во время того, как изучалось строение атома. В 1924 году создали новейшую теорию, которую назвали волновой\квантовой механикой движения электронов.

Как отличается электропроводность разных металлов

Электронная теория электропроводности металлов начала развиваться из-за исследований ученого Пауля Друде. Он смог открыть сопротивление как свойство. Сопротивление наблюдается тогда, когда электрический ток проходит через проводник.

В будущем эта теория помогла типизировать различные вещества по их уровню проводимости. Из результатов исследования можно с легкостью понять, какой металл подходит для того, чтобы изготовить тот или иной кабель. Это самый важный момент, потому что материал, который неправильно подобран, может быть причиной перегрева, возгорания и других последствий.

Самая большая электропроводность у серебра. Она составляет 63,3 на 104 см при температуре +20 °C. Однако изготовление проводки из серебра — недешевое занятие, потому что серебро является достаточно редким и к тому же драгоценным металлом.

Металл, обладающий большой электропроводностью среди всех элементов из неблагородной группы — медь. Показатель у нее будет 57 на 104 см при температуре +20 °C. Медь — один из самых распространенных проводников, которые используются в производственных и бытовых целях. Она выдерживает частые электрические нагрузки, отличается надежностью и долговечностью. Высокая температура плавления помогает без проблем работать в нагретом состоянии достаточно долгое время.

Наравне с медью также распространен алюминий. Он находится на четвертом месте по электропроводности после золота. Алюминий используют в сетях с небольшим напряжением, потому что обладает вдвое меньшей температурой плавления, чем медь. Алюминий не может выдерживать большие нагрузки.

Электропроводность металлов можно узнать в таблице электропроводности.

Нужно отметить, что каждый сплав обладает меньшим уровнем проводимости, чем чистое вещество. Это может быть связано с тем, что структурная сетка сливается со всем остальным, происходит нарушение обычного электронного функционирования.

В производстве медного провода используют материал, который содержит менее 0,1 % примесей. Некоторые типы кабелей обладают показателем в не более, чем 0,05 %.

Материалы высокой проводимости

Электропроводность у щелочных металлов расположена на крайне высоком уровне, потому что у них электроны практические не привязаны к ядру, их можно легко выстроить в необходимую последовательность. Однако данная группа отличается тем, у них небольшая температура плавления, но большая химическая активность. В большинстве своем данные свойства не дают использовать эти металлы для того, чтобы изготовить провода.

Металлы с высоким уровнем электропроводности в открытом виде крайне опасны для людей. Прикосновение к оголенным проводам приведет к тому, что человек получит электрический ожог, а также электрический разряд будет взаимодействовать на внутренние органы. Часто это ведет к мгновенной смерти. Из-за этого для безопасности человека используют особенные изоляционные материалы.

В зависимости от области применения металлов изоляционные материалы могут быть жидкими, твердыми, газообразными. Однако главная их функция все же одна — изолировать электрический ток в цепи так, чтобы он не смог оказать никакого воздействия на окружающую среду.

Электропроводность металлов используют почти во всех областях в современной человеческой жизни, поэтому безопасность человека считается самой главной задачей.

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.

С помощью баллистического гальванометра ученые измерили суммарный заряд, проходящий по цепи, и вычислили отношение заряда одной частицы к ее массе — q / m . Оно оказалось близким по значению к отношению e / m для электрона = 1 , 8 × 1011 К л / к г , которое на тот момент уже было известно.

Какие частицы его создают, скорость распространения тока

Хорошая электропроводность металлов обусловлена высокой концентрацией свободных электронов. Каждый атом металла, находящийся в узле кристаллической решетки, имеет один или несколько валентных (свободных) электронов. Валентные электроны находятся на внешней электронной оболочке и слабо связаны с ядром, поэтому атом легко с ними расстается.

Они совершают тепловое движение в различных направлениях по всему кристаллу. Положительные ионы остаются в узлах кристаллической решетки, а пространство между ними заполняется свободными электронами или так называемым электронным газом.

Если металлический проводник присоединить к источнику тока и замкнуть цепь, валентные электроны продолжают совершать хаотическое движение, но под действием возникшего внешнего электрического поля они также начинают перемещаться в одном направлении. Это упорядоченное течение электронного газа, совмещенное с тепловым движением электронов, и есть электрический ток в металле.

Скорость упорядоченного движения (дрейфовая скорость) любого электрона в проводнике не превышает 1 мм/с.

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.

Закон Джоуля–Ленца

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:

Электронная проводимость металлов

В 10 классе известно, что вещество, являющееся проводником, должно содержать много высокоподвижных носителей электрического заряда. Наилучшими проводниками в нормальных условиях являются металлы. Кратко рассмотрим механизм электронной проводимости металлов.

Структура кристаллической решетки металла

Вещества, обладающие металлической проводимостью, как правило, имеют во внешней электронной оболочке малое количество электронов, которые относительно слабо связаны ядром и внутренними электронными оболочками. Это и определяет особенности металлической кристаллической решетки.

В кристалле металла ионы с внутренними электронными оболочками образуют узлы решетки, как и в любом другом кристалле. А электронные облака внешних валентных электронов перекрывают друг друга так, что они оказываются общими не только для двух ионов (как это бывает в ковалентной связи), а сразу для нескольких ионов. В результате электроны могут свободно перемещаться между всеми этими ионами, попадая в поле действия более далеких ионов, и перемещаясь уже между ними.

То есть, электроны в кристаллической решетке металла движутся не строго по орбитам между соседними атомами (как в ковалентном кристалле), а образуют своего рода «электронный газ», распределенный по всему кристаллу.

Рис. 1. строение металлической кристаллической решетки.

Проводимость металлов

Такое строение кристаллической решетки приводит к тому, что электроны очень легко способны перемещаться под действием внешнего электрического поля. То есть, металлы, имеют много свободных легких электронов и обладают большой проводимостью.

Доказательством существования свободных электронов явились опыты, проведенные в 1916г Т. Стюартом и Р.Толменом (позже выяснилось, что такие же опыты ставились и ранее Л. Мандельштамом и Н.Папалекси, но результат их не был опубликован).

Идея этих опытов состоит в том, что если внутри металла существуют свободные электроны, то при движении кристаллической решетки с ускорением электроны должны «отставать» от ионов. В результате на разных концах кристалла концентрация электронов должна быть разной, и порождать разность потенциалов. Для опыта использовалась катушка, к которой был подключен чувствительный телефонный капсюль. Когда катушка колебалась вокруг продольной оси, в ней возникала электроинерционная разность потенциалов, и капсюль издавал звук.

Рис. 2. Опыт Мандельштама и Папалекси.

Теории проводимости

В 1900г П.Друде, основываясь на положениях молекулярно-кинетической теории, и рассматривая электроны в металле, как идеальный газ, создал классическую электронную теорию проводимости металлов. Первоначально эта теория не учитывала распределение скоростей электронов, учет этого распределения был выполнен в 1904г Х.Лоренцем.

Теория Друде-Лоренца смогла объяснить законы Ома, Джоуля-Ленца, механизм проводимости и зависимости сопротивления от температуры. Однако, со временем стало появляться все больше данных, необъяснимых в рамках классичепской теории. В частности, имелись расхождения по температурному коэффициенту сопротивления, по значениям теплоемкости. И уж совсем необъяснимым было явление сверхпродоимости, открытое в 1911г.

Все эти расхождения имеют квантовый характер, и поэтому объясняются в рамках более совершенной квантовой теории проводимости твердых тел (зонной теории проводимости).

Рис. 3. Зонная теория проводимости.

Что мы узнали?

Высокая проводимость металлов обуславливается особенностями кристаллической решетки, в которой электронные облака соседних атомов сильно перекрываются друг с другом, поэтому электроны могут легко перемещаться между атомами, обеспечивая низкое электрическое сопротивление. Первоначально была разработана классическая теория проводимости Друде-Лоренца. В настоящее время она сменилась зонной теорией проводимости.

Электропроводность металлов

Электропроводность металлов и сплавов – физическое свойство, которое учитывается при производстве разных видов изделий. Например, для изготовления электрических кабелей, микросхем используют металлы с высокими показателями электропроводности.

Данный параметр зависит от факторов окружающей среды: температуры, давления, агрегатного состояния, наличия магнитных полей и т. д. Если говорить о чистых металлах и влиянии температуры на их электропроводность, то с ростом она падает. Подробнее о том, что собой представляет электропроводность металлов, вы узнаете из нашего материала.

Природа электропроводности металлов

Электропроводностью называют способность тела, вещества проводить ток. Кроме того, этим термином обозначается физическая величина, которая численно характеризует данную способность. Электропроводность металла определяется числом свободных ионов в проводнике – их движение и является электрическим током. Данный показатель исчисляется в сименсах, а в международной системе единиц для его обозначения используется буква «S».

В зависимости от того, какой электропроводностью обладают металлы и иные вещества, среди них выделяют проводники, диэлектрики и полупроводники. Правда, между данными группами практически не существует четкого разграничения.

Чем обусловлена высокая электропроводность металлов-проводников? Они имеют большое количество свободных ионов. Среди веществ этой группы выделяют два рода, исходя из физической природы протекания тока. К первому относятся металлы с электронной проводимостью, по которым ток проходит благодаря движению свободных электронов.

Ко второму причисляют растворы кислот, щелочей, солей или электролиты, имеющие ионную проводимость. Иными словами, здесь интересующий нас процесс связан с движением положительных и отрицательных ионов. Уровень электропроводности проводников превышает 106(Ом·м)-1.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Диэлектрики обладают малым числом свободных ионов, поэтому отличаются низкой электропроводностью, практически не проводят ток. Такими материалами являются дерево, смолы, пластмассы, стекло, пр. Для них данный показатель составляет менее 106(Ом·м)-1.

По своим проводящим свойствам полупроводники занимают промежуточное положение между материалами описанных выше групп. К ним относятся германий, кремний, селен, прочие соединения, получаемые искусственно.

Существует зависимость электропроводности металлов и иных веществ от температуры, но она является индивидуальной для каждого материала. Повышение степени нагрева металлов приводит к сокращению времени свободного пробега электронов. Увеличение температуры влечет за собой возрастание тепловых колебаний кристаллической решетки, на которой рассеиваются электроны, что вызывает уменьшение электропроводности.

Полупроводникам свойственна другая зависимость электропроводности металлов от температуры: ее повышение провоцирует рост электропроводности, поскольку увеличивается число электронов проводимости и положительных носителей заряда. У диэлектриков электропроводность тоже может возрастать, однако для этого требуется очень высокое электрическое напряжение.

Металлы способны проводить ток, поскольку воздействие электромагнитного поля вызывает потерю связи между электроном и атомом из-за высокой степени ускорения.

Электрическое сопротивление металлов

Электрическое сопротивление является частью закона Ома и исчисляется в омах (Ом). Нужно понимать, что электрическое и удельное сопротивление являются разными явлениями. Если первое представляет собой свойство объекта, то второе характеризует материал.

Так, электрическое сопротивление резистора зависит от формы и удельного сопротивления материала, использованного для изготовления данного элемента электрической цепи.

Допустим, проволочный резистор состоит из длинной тонкой проволоки и обладает более высоким сопротивлением, чем аналогичный элемент, но выполненный из короткой и толстой проволоки. При этом оба они сделаны из одного металла.

Если сравнить два резистора из проволоки одинаковой длины и диаметра, то большим электрическим сопротивлением будет обладать тот, который состоит из материала с высоким удельным сопротивлением. А его аналогу из материала с низким удельным сопротивлением будет свойственно меньшее электрическое сопротивление.

В этом случае работает тот же принцип, что и в гидравлической системе, прокачивающей воду по трубам:

Чем больше длина трубы и меньше ее толщина, тем с более высоким сопротивлением сталкивается жидкость.
Вода будет испытывать на себе меньшее сопротивление в пустой трубе, чем в заполненной песком.

Под удельным сопротивлением понимают способность материала препятствовать прохождению электрического тока. В физике существует и обратная величина, известная как проводимость. Она выглядит таким образом:

Σ = 1/ρ, где ρ – удельное сопротивление вещества.

Электропроводность металлов и других веществ зависит от свойств носителей зарядов. В металлах присутствуют свободные электроны – на внешней оболочке их число доходит до трех. Во время химических реакций с элементами из правой части таблицы Менделеева атом металла отдает их. С электропроводностью чистых металлов все несколько иначе. В их кристаллической структуре эти наружные электроны общие и переносят заряд под действием электрического поля.

В случае с растворами в качестве носителей заряда выступают ионы.

Степень электропроводности разных металлов и сплавов

Развитием электронной теории электропроводности металлов занимался немецкий физик Пауль Друде. Именно благодаря его исследованиям стало известно о сопротивлении, наблюдаемом при прохождении электрического тока через проводник. В результате удалось разделить вещества на группы, исходя из степени их проводимости.

Данная информация необходима, например, чтобы выбрать наиболее подходящий металл для производства кабеля, обладающего определенным набором свойств. Ошибка в этом случае чревата перегревом под действием тока избыточного напряжения и последующим возгоранием.

Серебро – это металл, обладающий самой высокой электропроводностью. При +20 °C этот показатель равен 63,3×104 см-1. Тем не менее, производство серебряной проводки является нерентабельным, поскольку речь идет о достаточно редком металле. В большинстве случаев он идет на изготовление ювелирных изделий, украшений, монет.

Среди неблагородных цветных металлов самая высокая электропроводность характеризует медь – она составляет 57×104 см-1 при +20 °C. Помимо этого, медь хорошо справляется с постоянными электрическими нагрузками, долговечна, надежна, имеет высокую температуру плавления, поэтому может долго работать в нагретом состоянии. Все названные свойства позволяют активно применять данный металл для бытовых целей и на производстве.

Не реже меди используется алюминий, ведь по электропроводности он уступает только серебру, меди и золоту. Его температура плавления практически в два раза ниже, чем у меди, из-за чего алюминий не может выдерживать предельные нагрузки. По этой причине его применяют в сетях с невысоким напряжением. Узнать электропроводность остальных металлов можно в соответствующей таблице.

По проводимости любой сплав значительно уступает чистому металлу, что объясняется слиянием структурной сетки, вызывающим нарушение нормального функционирования электронов. Так, медные провода изготавливают только из металла с максимальной долей примесей 0,1 % или даже 0,05 %, если речь идет об отдельных разновидностях кабеля.

Приведенные показатели – это удельная электропроводность металлов, которая представляет собой отношение плотности тока к величине электрического поля в проводнике.

Опасность металлов с высокой электропроводностью

Щелочные металлы имеют крайне высокую электропроводность, объясняют этот факт тем, что в них электроны практические не привязаны к ядру и могут быть без труда выстроены в требуемой последовательности. Еще одна особенность этих металлов состоит в низкой температуре плавления в сочетании со значительной химической активностью, что обычно не позволяет использовать их в качестве материалов для кабелей.

Находясь в незащищенном виде, металлы с высокой электропроводностью несут в себе большую опасность. Прикосновение к оголенным проводам вызывает электрический ожог, разряд воздействует на внутренние органы, что нередко становится причиной мгновенной смерти человека.

Поэтому металл закрывают специальными изоляционными материалами, которые могут быть жидкими, твердыми, газообразными – конкретный тип подбирается в соответствии со сферой использования изделия. Вне зависимости от агрегатного состояния защиты она призвана изолировать электрический ток в цепи, чтобы не допустить его воздействия на окружающую среду.

Зависимость электропроводности металлов от факторов внешней среды

Проводимость не является постоянной величиной. В таблицах приведены сведения, характерные для нормальных условий или при температуре +20 °С. В реальной жизни сложно обеспечить идеальные условия для работы цепи. Удельное сопротивление, а значит, и проводимость, определяется такими характеристиками:

температурой;
давлением;
наличием магнитных полей;
светом;
агрегатным состоянием вещества.

Изменения интересующего нас параметра зависят от условий среды и свойств конкретного материала. Электропроводность ферромагнетиков, в число которых входят железо и никель, увеличивается при совпадении направления тока с направлением силовых линий магнитного поля. Зависимость электропроводности от теплопроводности металлов и окружающей температуры практически линейная, даже есть понятие температурного коэффициента сопротивления – данную величину можно уточнить в таблицах.

Правда, направление зависимости определяется конкретным веществом: у металлов оно при увеличении температуры повышается, у редкоземельных элементов и растворов электролитов увеличивается в пределах одного агрегатного состояния.

Полупроводники характеризуются гиперболической и обратной зависимостью электропроводности от температуры: рост степени нагрева приводит к повышению электропроводности металлов. Данная особенность качественно отличает проводники от полупроводников. Зависимость ρ проводников от температуры выглядит следующим образом:

На графике отображено удельное сопротивление меди, платины, железа. Некоторые металлы характеризуются иначе: ртуть при понижении температуры до 4°K становится сверхпроводимой, почти полностью теряя удельное сопротивление.

У полупроводников зависимость будет представлена так:

Когда металл переходит в жидкое агрегатное состояние, его ρ повышается, а дальнейшее изменение свойств может быть разным. Так, висмут в расплавленном виде имеет более низкое удельное сопротивление, чем при комнатной температуре, а у жидкой меди оно повышается в десять раз. Никелю свойственно выходить из линейного графика уже при достижении температуры +400 °C, но далее ρ падает.

Температурная зависимость вольфрама так высока, что приводит к перегоранию ламп накаливания: ток нагревает спираль, из-за чего ее сопротивление многократно возрастает.

Удельное сопротивление сплавов зависит от задействованной при производстве технологии. Данное свойство простой механической смеси определяется как средний показатель ее компонентов. Тогда как для сплава замещения оно окажется иным и обычно отличается в большую сторону.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Читайте также: