Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Головко

§ 9. Природа електричного струму в металах. Електричний струм у вакуумі

Опрацювавши цей параграф, ви зможете пояснити природу електричного струму в металах та їх електронну провідність, особливості проходження електричного струму у вакуумі, явища надпровідності та термоелектронної емісії і їх застосування.

ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У МЕТАЛАХ. НАДПРОВІДНІСТЬ. Експериментальне підтвердження електронної природи струму в металах було здійснене в 1916 р. фізиками Р. Толменом та Б. Стюартом у дослідах із вивчення інерції електронів. Котушка з великою кількістю витків тонкого дроту швидко оберталася навколо своєї осі. Кінці обмотки котушки за допомогою спеціальних контактів та гнучких провідників були з'єднані з чутливим балістичним гальванометром (Г) (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Схема досліду Р. Толмена і Б. Стюарта

Коли котушка швидко оберталася, струму в колі не було. Під час різкого гальмування котушки в її обмотці виникав короткочасний струм, який фіксувався гальванометром. Аналіз результатів експерименту дав можливість ученим установити, що струм у котушці зумовлений рухом негативних заряджених частинок — електронів. Під час обертання котушки вони отримували велику швидкість, а після гальмування продовжували деякий час рухатися за інерцією та створювали електричний струм.

Вимірявши величину струму, можна було визначити відношення заряду, що переноситься в провіднику, до маси заряджених частинок. Це відношення виявилося сталим і таким, що є характерним для електрона

Тому було зроблено висновок, що під час протікання електричного струму в металевому провіднику перенесення речовини не відбувається.

Так було експериментально встановлено електронну природу електричного струму в металах та підтверджено запропоновану німецьким ученим П. Друде в 1900 р. електронну теорію провідності металів. Згідно з нею, електрони в металах поводяться, як електронний газ, подібний до ідеального, що заповнює простір між йонами кристалічних ґраток (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Електронний газ у металах

У зовнішньому електричному полі електрони зміщуються в напрямку його силових ліній. У металевому провіднику виникає упорядкований рух електронів, тобто електричний струм.

Електричний струм у металах є напрямленим рухом електронів.

Йони кристалічних ґраток здійснюють коливання навколо положень рівноваги (вузлів). Вільні електрони під час руху взаємодіють з йонами та віддають їм частину своєї енергії. Внаслідок цього амплітуда коливань йонів зростає, а швидкість вільних електронів зменшується — провідник нагрівається.

Отже, під час проходження електричного струму з боку провідника виникає опір, який залежить від температури. Тобто, якщо провідник нагрівати від зовнішнього джерела, то амплітуда теплових коливань йонів та інтенсивність їх взаємодії з вільними електронами зросте. Відповідно, збільшиться й опір провідника. Піл час охолодження провідника його опір буде зменшуватися.

Здатність речовини, з якої виготовлено провідник, чинити опір проходженню електричного струму характеризується питомим опором r. Його одиницею в СІ є питомий опір провідника довжиною 1 м та площею поперечного перерізу 1 м2, що має опір 1 Ом:

Залежність питомого опору металу від температури виражається формулою:

ρ = ρ0(1 + αΔТ),

де ρ0 — питомий опір металу при 0 ≡ С; α — термічний коефіцієнт опору.

Враховуючи незначну зміну розмірів провідника, отримаємо:

R = R0(1+ α · ΔT).

Зміна опору металевого провідника пропорційна зміні його температури.

У 1911 р. нідерландський фізик Г. Камерлінг-Оннес виявив, що під час охолодження металевих провідників рідким гелієм до температури, близької до абсолютного нуля, їх опір стає практично рівним нулю. Таке явище отримало назву надпровідності. Для багатьох металів, наприклад, ртуті, явище надпровідності спостерігається під час охолодження до температури близько 4 К.

Надпровідність — стан провідника, в якому він практично втрачає електричний опір.

Вивчення та застосування надпровідності є одним із перспективних напрямів сучасної фізики. Він надає значні можливості у створенні нових технологій, зокрема, систем передачі електроенергії без втрат, надпотужних електромагнітів та обчислювальних систем.

ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У ВАКУУМІ. Якщо в металевих провідниках концентрація вільних носіїв електричного заряду є максимальною порівняно з іншими речовинами, то у вакуумі вільні носії практично відсутні.

Вакуум - це середовище, в якому немає частинок речовини.

Електричний струм у такому середовищі можливий лише за умови, якщо за допомогою додаткового джерела ввести заряджені частинки в обмежений простір та створити в ньому електричне поле, яке на них діятиме.

Вільні носії заряджених частинок у вакуумі отримують двома основними способами: нагріванням та опроміненням. Якщо металевий електрод нагріти до високої температури, то його поверхня починає випускати електрони, які зосереджуються біля неї, утворюючи електронну хмаринку.

Явище випускання електронів нагрітими тілами у вакуумі називають термоелектронною емісією.

Якщо температуру електрода підтримувати сталою, то кількість електронів, що вилітають із поверхні, дорівнюватиме кількості електронів, що повертаються в електрод. Щоб вилетіти з поверхні металу електрон виконує роботу з подолання сил кулонівської взаємодії з позитивними йонами, яку називають роботою виходу (Авих). Вона є величиною, що характеризує конкретний метал та вимірюється в електрон-вольтах (еВ).

Якщо нагрітий металевий електрод помістити у вакуумі разом із іншим електродом та приєднати їх, відповідно, до негативного та позитивного полюсів джерела струму, то електрони почнуть рухатися впорядковано між електродами — виникає електричний струм. Якщо змінити полярність підключення джерела, то струму не буде.

Електричний струм у вакуумі створюється вільними електронами емісії.

Це явище було покладено в основу будови вакуумного діода (http://peddumka.edukit.kiev.ua/Files/downloadcenter/QR-Phys11-60.pdf).

Детальніше...

! Головне в цьому параграфі

Електричний струм у металах є напрямленим рухом електронів. Здатність речовини, з якої виготовлено провідник, чинити опір проходженню електричного струму характеризується питомим опором. Зміна опору металевого провідника пропорційна зміні його температури.

Надпровідність — це стан провідника, в якому він практично втрачає електричний опір.

Явище випускання електронів нагрітими тілами у вакуумі називають термоелектронною емісією. Електричний струм у вакуумі створюється вільними електронами емісії.

? Знаю, розумію, вмію пояснити

1. Чим зумовлений електричний струм у металах? Наведіть приклад досліду, який підтверджує вашу відповідь. 2. Як електропровідність металів пов'язана з їх внутрішньою будовою? 3. Порівняйте, як рухаються електрони провідності в металічному провіднику за відсутності та за наявності в ньому електричного поля. 4. Чому металевий провідник нагрівається під час проходження по ньому електричного струму? 5. Як можна пояснити таку властивість металевого провідника, як опір? 6. Як питомий опір провідника залежить від температури? 7. Коли через спіраль електричної лампочки протікає більший електричний струм: у момент вмикання чи коли вона починає світитись? 8. У чому полягає явище надпровідності металів та які ефекти його підтверджують? 9. Яке значення має надпровідність для техніки та технологій? 10. Що таке термоелектронна емісія? 11. Що є носіями струму у вакуумі? 12. Де застосовують явище термоелектронної емісії?