Електронна провідність металів
Електронна провідність металів була вперше експериментально доведена німецьким фізиком Е. Рікке в 1901 році. Через три щільно притиснутих один до одного відполірованих циліндра – мідний, алюмінієвий і знову мідний – тривалий час (протягом року) пропускали електричний струм. Загальний заряд, що пройшов за цей час, дорівнював 3.5 – 106 Кл. Оскільки маси атомів міді й алюмінію істотно відрізняються один від одного, то маси циліндрів мали б помітно змінитися, якби носіями заряду були іони.
Результати дослідів показали, що маса кожного з циліндрів залишилася незмінною. У дотичних поверхнях були виявлені лише незначні сліди взаємного проникнення металів, які не перевищували результатів звичайної дифузії атомів у твердих тілах. Отже, вільними носіями заряду в металах не є іони, а такі частинки, які однакові і в міді, і в алюмінії. Такими частками могли бути тільки електрони.
Прямий і переконливий доказ справедливості цього припущення було отримано в дослідах, поставлених в:
- 1913 р. Л. І. Мандельштамом і М. Д. Папалекси; В 1916 р. Т. Стюартом і Р. Толменом.
На котушку намотують дріт, кінці якої припаюють до двох металевих дисків, ізольованих один від одного. До кінців дисків за допомогою ковзних контактів приєднують гальванометр.
Котушку приводять у швидке обертання, а потім різко зупиняють. Після різкої зупинки котушки, вільні заряджені частинки будуть деякий час рухатися уздовж провідника за інерцією, і, отже, в котушці виникне електричний струм. Струм буде існувати короткий час, так як через опір провідника заряджені частинки гальмуються і впорядкований рух частинок припиняється.
Напрямок струму говорить про те, що він створюється рухом негативно заряджених частинок. Стерпний при цьому заряд пропорційний відношенню заряду частинок, що створюють струм, до їх маси, тобто. Тому, вимірюючи заряд, що проходить через гальванометр за весь час існування струму в ланцюзі, вдалося визначити відношення. Воно виявилося рівним 1,8 – 1011 кл/кг. Ця величина збігається з відношенням заряду електрона до його маси, знайденим раніше з інших дослідів.
Таким чином, електричний струм у металах створюється рухом негативно заряджених частинок електронів. Згідно класичної електронної теорії провідності металів (П. Друде, 1900, Х. Лоренц, 1904), металевий провідник можна розглядати як фізичну систему сукупності двох підсистем:
- Вільних електронів з концентрацією ~ 1028 м-3; Позитивно заряджених іонів, які коливаються біля положення рівноваги.
Поява вільних електронів в кристалі можна пояснити наступним чином.
При об’єднанні атомів в металевий кристал, зовнішні електрони, які слабкіше за все пов’язані з ядром атома, відриваються від атомів. Тому у вузлах кристалічної решітки металу розташовуються позитивні іони, а в просторі між ними рухаються електрони, не пов’язані з ядрами своїх атомів. Ці електрони називаються вільними або електронами провідності. Вони здійснюють хаотичний рух, подібний руху молекул газу. Тому сукупність вільних електронів в металах називають електронним газом.
Якщо до провідника докладено зовнішнє електричне поле, то на безладний хаотичний рух вільних електронів накладається спрямований рух під дією сил електричного поля, що й породжує електричний струм. Швидкість руху самих електронів в провіднику – кілька часток міліметра в секунду, проте виникле в провіднику електричне поле поширюється по всій довжині провідника зі швидкістю, близькою до швидкості світла у вакуумі (3 – 108 м/с).
Так як електричний струм у металах утворюють вільні електрони, то провідність металевих провідників називається електронною провідністю.
Електрони під впливом постійної сили, що діє з боку електричного поля, набувають певну швидкість упорядкованого руху (її називають дрейфовою). Ця швидкість не збільшується надалі з часом, так як при зіткненні з іонами кристалічної решітки електрони передають кінетичну енергію, придбану в електричному полі, кристалічній решітці. У першому наближенні можна вважати, що на довжині вільного пробігу (це відстань, яку електрон проходить між двома послідовними зіткненнями з іонами) електрон рухається з прискоренням і його дрейфова швидкість лінійно зростає з часом
У момент зіткнення електрон передає кінетичну енергію кристалічній решітці. Потім він знову прискорюється, і процес повторюється. В результаті середня швидкість упорядкованого руху електронів пропорційна напруженості електричного поля в провіднику і різниці потенціалів на кінцях провідника, так як,
Де l – довжина провідника.
Відомо, що сила струму в провіднику пропорційна швидкості впорядкованого руху частинок
А значить, згідно з попереднім, сила струму пропорційна різниці потенціалів на кінцях провідника: I ~ U. У цьому полягає якісне пояснення закону Ома на основі класичної електронної теорії провідності металів.
Однак в рамках цієї теорії виникли труднощі. З теорії випливало, що питомий опір має бути пропорційним кореню квадратному з температури. Крім того, теплоємність металів, відповідно до цієї теорії, повинна бути значно більше теплоємності одноатомних кристалів. Насправді теплоємність металів мало відрізняється від теплоємності неметалічних кристалів. Ці труднощі були подолані тільки в квантовій теорії.
У 1911 р голландський фізик Г. Камерлінг-Оннес, вивчаючи зміну електричного опору ртуті при низьких температурах, виявив, що при температурі близько 4 К (тобто при -269 ° С) питомий опір стрибком зменшується практично до нуля. Це явище звернення електричного опору в нуль Г. Камерлінг-Оннес назвав надпровідність.
Надалі було з’ясовано, що більше 25 хімічних елементів-металів при дуже низьких температурах стають надпровідниками. У кожного з них своя критична температура переходу в стан з нульовим опором. Найнижче значення її у вольфраму – 0,012К, найвище в ніобію – 9К.
Надпровідність спостерігається не тільки у чистих металів, а й у багатьох хімічних сполук і сплавів. При цьому самі елементи, що входять до складу надпровідного з’єднання, можуть і не бути надпровідниками. Наприклад,
- NiBi; Au2Bi; PdTe; PtSb та інші.
Речовини в надпровідному стані володіють незвичайними властивостями:
- Електричний струм в надпровіднику може існувати тривалий час без джерела струму; Всередині речовини в надпровідному стані не можна створити магнітне поле; Магнітне поле руйнує стан надпровідності.
Надпровідність – явище, яке пояснюється з точки зору квантової теорії. Його досить складно писати, не виходячи з шкільного курсу фізики.
Широкому застосуванню надпровідності до недавнього часу перешкоджали труднощі, пов’язані з необхідністю охолодження до наднизьких температур, для чого використовувався рідкий гелій. Тим не менш, незважаючи на складність обладнання, дефіцитність і дорожнечу гелію, з 60-х років XX століття створюються надпровідні магніти без теплових втрат, що зробило практично можливим отримання сильних магнітних полів в порівняно великих обсягах. Саме такі магніти потрібні для створення установок керованого термоядерного синтезу з магнітним утриманням плазми, для потужних прискорювачів заряджених частинок. Надпровідники використовуються в різних вимірювальних приладах, насамперед у приладах для вимірювання дуже слабких магнітних полів з найвищою точністю.
В даний час в лініях електропередачі на подолання опору проводів йде 10-15% енергії. Надпровідні лінії у містах можуть принести величезну економію. Інша область застосування надпровідності – транспорт.
На основі надпровідних плівок створено ряд швидкодіючих логічних і запам’ятовуючих елементів для лічильно-обчислювальних пристроїв. При космічних дослідженнях перспективно використовують надпровідні соленоїди для:
- Радіаційного захисту космонавтів; Стикування кораблів; Їх гальмування і орієнтації; Для плазмових ракетних двигунів.
В даний час створені керамічні матеріали, що володіють надпровідністю при більш високій температурі – понад 100К, тобто при температурі вище температури кипіння азоту. Можливість охолоджувати надпровідники рідким азотом, який має на порядок вищу теплоту пароутворення, істотно спрощує і здешевлює всі кріогенні устаткування, та надає Величезний економічний ефект.
(2 votes, average: 5.00 out of 5)