Похожие презентации:
Электрический ток в металлах
1.
2.
Что является носителем заряда в металлах?Для выяснения природы тока в металлах был поставлен
ряд специальных опытов
1) Опыт Рикке (1901 г.)
В течение длительного времени
(t > 1 года) пропускался большой
ток (I = 10 А)
Массы цилиндров не изменились
Ток в металлах не связан с переносом ионов
кристаллической решетки
3.
2) Опыт Толмэна-Стюарта (1916 г.)Катушка из металлической проволоки приводилась в быстрое вращение
(линейная скорость вращения составляла 300 м/с). К выводам катушки
прикреплялся чувствительный гальванометр. При резком торможении катушки
через гальванометр протекал кратковременный ток. По направлению отклонения
стрелки определили, что ток в металлах образуется отрицательно заряженными
частицами. По величине отклонения стрелки гальванометра определили
прошедший через него заряд, а затем и удельный заряд частиц q , создающих
m
ток.
4.
Приращение кинетической энергии dW заряженных частиц, прошедшихчерез гальванометр:
mv 2
v2
Nm d Nmv dv
dW d (0 W0 ) d N
2
2
N - число заряженных частиц, прошедших через гальванометр;
n - их концентрация.
N n V n S l
S - площадь поперечного сечения проволоки;
l - ее длина.
Q I 2 Rdt
Idt dq
I jS q0 n u S
Q q0 n u SR dq
5.
Изменение энергии частиц идет на выделение джоулевого тепла впроводнике:
dW Q
Отсюда: -ml·dv=q0R·dq
где
dv=0-v;
dq=q-0=q
q0 vl
Кл
1,55 1011
m qR
кг
Что практически совпадает с удельным зарядом электрона:
e
m
1,76 1011
Кл
кг
Вывод: электрический ток в металлах представляет собой направленное
движение электронов проводимости под действием электрического поля.
6.
КЭТОсновные труды по приложениям
классической электронной теории: дал
теорию электронной проводимости
металлов, теорию поляризации света,
отражённого от металлической
поверхности, теорию дисперсии света.
Пауль Друде Карл Людвиг
(1863 —1906)
немецкий физик
Впервые обнаружил и объяснил аномальную
дисперсию диэлектрической
проницаемости). Предложил методы
измерения диэлектрической проницаемости
и показателя поглощения жидких
диэлектриков в метровом и дециметровом
диапазонах электромагнитных волн.
Член Берлинской АН
7.
При образовании кристаллической решетки вметаллах атомы сближаются так, что валентные
оболочки перекрываются. Внешние электроны,
наиболее слабо связанные с атомом, при этом
отщепляются и становятся свободными. Атом
становится положительным ионом. Переходя от
атома к атому, электрон становится собственностью
уже не отдельного атома, а всего кристалла в целом.
Положительные ионы кристаллической решетки
удерживаются вместе за счет взаимодействия со
всеми свободными электронами. Такой вид связи
атомов называется металлической связью.
Согласно КЭТ свободные электроны в металлах движутся и взаимодействуют с
ионами кристаллической решетки подобно молекулам идеального газа. Они
образуют электронный газ. Для электронного газа справедливы те же
статистические закономерности, что и для идеального газа.
8.
Пользуясь представлениями КЭТ, можно получить основные законыэлектрического тока для металлических проводников.
1. Закон Ома.
Средняя скорость направленного движения электронов в металле
равна его средней арифметической скорости за время свободного
пробега :
u
u0 umax 0 umax umax
2
2
2
umax a
F e E
m
m
u
e E
2m
l
Время свободного пробега электрона
T
ne 2 l
ne 2
j en u
E
E
2m
2 m T
Обозначим удельную проводимость вещества
Тогда
j = E
ne 2 l
2 m T
9.
2. Закон Джоуля-Ленца.При каждом столкновении с ионами кристаллической решетки
электрон отдает всю энергию, приобретенную им за время свободного
пробега:
2
2
mumax
mumax
Wk Wk Wk 0
0
2
2
С учетом u max
e E
m
e2 l
me 2 2 2 e 2 2 2
Wk
E
E
2
2m
2m
2 m T
2
E2
2
Выделяющаяся в проводнике теплота определяется потерями кинетической
энергии всеми N электронами проводимости: Q = N Wk = nV Wk
Удельная тепловая мощность:
T e 2 l
Q n T
w
Wk n
Vt
l
2 m T
2
E
2
2
ne 2 l
2 m T
E2
w = E2
10.
3. Закон Видемана–Франца (1853 г.)Отношение коэффициента теплопроводности к удельной
проводимости вещества прямо пропорционально
температуре:
CT
Закон Фурье для теплопроводности:
jQ
Q
dT
gradT
St
dx
1
cV l
3
C
3R
3R
3k
cV V
M 2 M 2mN A 2m
ne 2 l
2 m T
l T 3km2 T
T k
3 2mne 2
ne 2
2
11.
Полагая3kT
m
Плотность электронного газа можно рассчитать как
m mN
mn
V
V
Подставляя, получим
3kTmnk 3k 2
2 T CT
2
mne
e
3k 2
где C 2 const
e
12.
Классическая электронная теория испытывает затруднения в объяснении этихвопросов.
1. Температурная зависимость сопротивления.
По КЭТ должно быть ~
1
T
1
~ T ~ T
КЭТ
T ~ T
Однако из опыта известно, что 0 1 T , т. е.
~T
ОПЫТ!
13.
2. Закон Дюлонга-Пти.Обладая тепловой энергией, электронный газ должен вносить вклад
в теплоемкость кристалла. Теплоемкость металла складывается из
теплоемкости кристаллической решетки и теплоемкости
электронного газа.
C
i
R
2
CMe C реш Сe
6
3
R R 4,5 R
2
2
Но согласно эмпирическому закону Дюлонга-Пти:
Молярная теплоемкость химически простых веществ при
комнатных температурах равна: С 3R
т
Следовательно, наличие электронного газа никак не сказывается на
значении теплоемкости металлов, что необъяснимо в рамках
классической теории
14.
3. Средняя длина свободного пробега электронов.Чтобы расчетное значение согласовалось с экспериментальным
значением, необходимо допустить, что средняя длина свободного
пробега в сотни раз превышает постоянную решетки. Для этого
электроны должны проходить сотни междоузельных расстояний, не
сталкиваясь с ионами. Это противоречит основным положениям
классической электронной теории электропроводности металлов.
4. Коэффициент в законе Видемана-Франца.
3k 2
Значение коэффициента C 2 , полученного Друде, оказалось
e
близким к экспериментальным данным.
Лоренц попробовал уточнить его, учтя максвелловское
2k 2 ,
распределение молекул по скоростям и получил
C 2
что еще хуже согласуется с опытом.
e
Сейчас мы знаем, что истинное значение
2 k 2
С
3е 2
15.
Описанные затруднения связаны с тем, что классическая теорияне учитывает ряд специфических свойств электронов. Эти
свойства были установлены позднее, и на их основе была создана
новая теория движения элементарных частиц – квантовая
механика.
Все затруднения КЭТ снимаются в рамках квантовой теории
электропроводности металлов.
Тем не менее, в большинстве случаев классическая электронная
теория электропроводности металлов дает правильные
результаты, являясь в то же время более простой и наглядной,
чем квантовая механика.
16.
17.
3.2.4. Электрический ток вжидкостях.
1.
2.
3.
4.
5.
Электролиты.
Электролитическая диссоциация. Степень диссоциации.
Подвижность ионов. Закон Ома для электролитов.
Электролиз. Законы электролиза.
Применение электролиза.
18.
3.2.5. Электрический ток в газах.Электропроводность газов. ВАХ газового разряда.
Несамостоятельный газовый разряд. Ток насыщения.
Самостоятельный газовый разряд.
Виды самостоятельного разряда (условия, механизм
возникновения, применение):
4.1. Тлеющий разряд.
4.2. Искровой разряд.
4.3. Коронный разряд.
4.4. Дуговой разряд.
5. Плазма.
1.
2.
3.
4.