Перечислите известные вам опытные факты устанавливающие природу носителей зарядов в металлах кратко

Обновлено: 02.07.2024

Природа свободных носителей заряда в металлах долгое время оставалась неизвестной. Вплоть до начала ХХ века основные законы тока не получили достаточного теоретического обоснования, несмотря на широкое практическое применение (закон Ома, например, получил теоретическое подтверждение только спустя 75 лет после открытия). Для выяснения природы носителей заряда в металлах были поставлены специальные опыты. Рассмотрим некоторые из них. Рикке своими опытами (Германия, 1901г.) пытался выяснить, связано ли прохождение тока по металлическим проводникам с переносом атомов вещества. Он в течение длительного времени (более года) пропускал достаточно большой постоянный ток через проводник, состоящий из нескольких чередующихся разнородных металлических цилиндров, плотно прижатых друг к другу торцами (в опытах использовались медь и алюминий). Несмотря на то, что через каждый проводник за время опыта прошел в одном направлении заряд, измеряемый миллионами кулонов, никаких заметных следов взаимного проникновения металлов друг в друга, за исключением следов, обусловленных обычной диффузией, не было обнаружено. Рикке пришел к выводу, что носителями заряда в металлах являются частицы, во первых свободные, не связанные с атомами вещества, во-вторых, одинаковые для всех металлов. П. Друде и Г. Лоренц выдвинули предположение, что носителями заряда в металлах являются электроны. Л.И. Мандельштамом и Н.Д. Папалекси (Россия, 1913г.), Р. Толменом и Стюартом (США, 1916г.) были поставлены опыты целью которых, являлось проверить предположение Друде и Лоренца. Если ток в металлах создается свободными частицами, то должны наблюдаться электро-инерционные эффекты: при резком торможении проводника эти частицы не смогут остановиться столь же быстро, как и сам проводник и будут еще некоторое время двигаться. Количественных измерений Мандельштам и Папалекси в своих опытах не производили. Они приводили в быстрые колебания катушку, замкнутую на неподвижную телефонную трубку. В опытах Толмена и Стюарта телефон был заменен баллистическим гальванометром (баллистический гальванометр позволяет измерить заряд, прошедший по цепи). Катушка приводилась в быстрое вращение (линейная скорость витков достигала сотен метров в секунду), после чего быстро тормозилась. По отбросу подвижной системы гальванометра определялся заряд, прошедший через прибор. Измерения Толмена и Стюарта дали для удельного заряда носителей тока в металлах значение:

Список используемой литературы

1) Занимательные опыты. Электричество и магнетизм: М. Ди Специо — Москва, АСТ, Астрель, Харвест, 2008 г.- 160 с.

2) Курс общей физики. Книга 2. Электричество и магнетизм: И. В. Савельев — Санкт-Петербург, АСТ, Астрель, 2003 г.- 336 с.

3) Металлы и электричество: А. Е. Гершберг — Санкт-Петербург, Левша, 2004 г.- 88 с.

4) Элементарный учебник физики. В 3 томах. Том 2. Электричество. Магнетизм: Под редакцией Г. С. Ландсберга — Санкт-Петербург, ФИЗМАТЛИТ, 2006 г.- 480 с.

5) Телеснин Р. В Яковлев В.Ф. Электричество. В 2 Т - M.: Высшая школа, 1973. – 327 с.

6) Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. – М.: Высшая школа, 1991. – 432 с.

7) Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. – М.: Высшая школа, 1983. – 265 с.

Учреждение образования “Гомельский инженерный институт” МЧС Республики Беларусь

Кафедра “Естественные науки”

“Классическая электронная теория электропроводимости металлов”

по дисциплине “Физика”

Выполнил: курсант 1 курса 1 взвода

Содержание

5.1 Природа носителей заряда в металлах…………………………….3

5.2 Классическая теория электропроводности металлов…………….4

5.3 Вывод закона Ома из классических электронных представлений……………………………………………………….6

5.4 Вывод закона Джоуля–Ленца из электронных представлений….8

5.5 Закон Видемана – Франца и его объяснение электронной теорией……………………………………………………………….9

5.6 Затруднения классической теории металлов……………………..10

5.7 Основные положения квантовой теории металлов………………11

5.8 Квантование энергии свободных электронов в металлах……….13

5.10. Термоэлектронная эмиссия……………………………………. 19

5.11. Контактная разность потенциалов………………………………21

5.12. Термоэлектрические явления (явления Зеебека, Пельтье)…….26

5.13. Полупроводники. Собственная и примесная проводимость…..29

Природа носителей заряда в металлах

Список используемой литературы

1) Занимательные опыты. Электричество и магнетизм: М. Ди Специо — Москва, АСТ, Астрель, Харвест, 2008 г.- 160 с.

3) Металлы и электричество: А. Е. Гершберг — Санкт-Петербург, Левша, 2004 г.- 88 с.

5) Телеснин Р. В Яковлев В.Ф. Электричество. В 2 Т - M.: Высшая школа, 1973. – 327 с.

6) Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. – М.: Высшая школа, 1991. – 432 с.

7) Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. – М.: Высшая школа, 1983. – 265 с.

Носителями заряда в металлах являются электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металлов, – свободные электроны. На основе этого представления создана классическая электронная теория электропроводности металлов (П.Друде, Х.Лоренц), а впоследствии зонная теория электропроводности (Ф.Блох, Л.Брюллюэн). Для выяснения природы носителей были предприняты многие эксперименты. К.Рикке выяснил роль ионов в процессе электропроводности. В течение года электрический ток пропускался через три последовательно соединенных цилиндра, изготовленных из различных металлов. Перенос вещества (изменение массы цилиндров, проникновение ионов одного металла в другой) не был обнаружен. Это свидетельствовало о том, что ионы в переносе заряда не участвуют. Единственными частицами, переносящими заряд, могли быть электроны, открытые Д.Томсоном. Для проверки этого предположения рядом физиков была предложена идея экспериментов с использованием инерции носителей. Металл должен быть разогнан до некоторой скорости, а затем резко остановлен. При этом носители заряда по инерции должны были продолжать двигаться и во внешней цепи проходил электрический ток, совпадающий по направлению со скоростью носителей при их положительном заряде и направленный против скорости – при отрицательном. Эксперименты, базирующиеся на этой идее, были осуществлены российскими физиками С.Л.Мандельштамом и Н.Д. Папалекси, американским физиком Р.Толменом и английским Б.Стюартом, Результаты всех опытов свидетельствовали об отрицательном знаке носителей. В опытах Р.Томсона и Б.Стюарта кроме направления тока был измерен проходящий во внешней цепи в процессе торможения заряд, что позволило вычислить удельный заряд носителей. Для всех металлов результаты оказались практически одинаковыми. Определенный в этих опытах удельный заряд носителей оказался очень близок к удельному заряду свободного электрона, определенному незадолго до этого Д.Томсоном. Это окончательно убедило физиков в том, что носителями заряда в металлах являются электроны.

Классическая электронная теория электропроводности металлов считает, что при образовании кристаллической решетки металла валентные, слабо связанные с ядрами электроны отрываются от атомов и могут перемещаться по объему металла. В узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а свободные электроны хаотично движутся между ними, образуя своеобразный электронный газ, который теория считает похожим по свойствам на одноатомный идеальный газ. Электроны сталкиваются с ионами, образуется термодинамическое равновесие. При наложении внешнего электрического поля в металле кроме хаотического теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение – электрический ток. Разогнанные полем электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки. За счет этих столкновений возникает электрическое сопротивление металлов. Отданная электронами ионам в процессах столкновений энергия идет на нагревание вещества. Классическая электронная теория хорошо объясняет выполнение для металлов законов Ома и Джоуля-Ленца, связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов, на качественном уровне объясняет температурную зависимость сопротивления металлов. Вместе с тем при объяснении некоторых явлений классическая электронная теория испытывает трудности: она завышает длину свободного пробега электрона, проходимого им без столкновений с ионами, дает существенно завышенную оценку вклада электронного газа в теплоемкость металла (парадокс теплоемкостей).

Это и ряд других обстоятельств вынудили физиков отказаться от многих классических представлений и прибегнуть к квантовомеханическим представлениям. На этой основе была создана первая квантовомеханическая модель электропроводности твердых тел, получившая название зонной теории электропроводности. В рамках этой теории многоэлектронная задача движения и взаимодействия с решеткой сводится к задаче о движении одного электрона во внешнем периодическом поле – поле всех ядер и электронов. Зонная теория успешно справилась с задачей классификации твердых тел на диэлектрики, проводники и металлы. Решила многие задачи, с которыми не справилась классическая теория. Вместе с тем эта теория, как и классическая электронная теория, не учитывает взаимодействия электронов между собой, что, естественно, не позволяет теории объяснить эффекты, базирующиеся на взаимодействии электронов. В частности, зонная теория не объясняет явления сверхпроводимости, при котором перенос зарядов осуществляется не одиночными электронами, а так называемыми спаренными куперовскими электронами.

Сверхпроводимость.

В 1911 г. голландский физик Х.Каммерлинг-Оннес обнаружил, что при температуре Т_С=4,1К ртуть переходит в новое состояние, в котором у нее отсутствует электрическое сопротивление (рис. ).

По-другому ведут себя квантовые частицы с целым спином – бозоны. Для них принцип запрета Паули не работает и при низкой температуре. Все бозе-частицы системы могут сконденсироваться на наинизшем уровне. Если энергетический спектр возбуждений такой системы удовлетворяет определенному условию, то движение бозе-частиц при слабых возбуждениях (низкие температуры, слабые электрические и магнитные поля и т.д.) оказывается бездиссипативным (происходит без сопротивления).

Объединение электронов в пары, имеющие уже целый спин, могло бы привести к возникновению сверхпроводимости. Объединиться в пару электронов возможно лишь при взаимодействии этих электронов с положительными ионами решетки. Если один из электронов, притягивая положительные ионы решетки, деформирует ее, то второй электрон, притянувшийся к той же области деформации, как бы спаривается с первым. В результате между двумя электронами возникает притяжение посредством так называемого обмена фотонами – квазичастицами, описывающими колебания кристаллической решетки. Теория образования электронных пар посредством электрон-фотонного взаимодействия и была построена Бардиным, Купером, Шиффером (теория БКШ). По теории БКШ, электроны, образующие так называемую куперовскую пару, имеют противоположные спины, импульсы электронов, составляющих пару, противоположны.

Правильность основных положений теории БКШ была подтверждена в 1961 г. квантованием магнитного потока в экспериментах Дивера-Феербенка и Долла-Небаура. Образцы из сверхпроводников в форме тонкостенных полых цилиндров охлаждались ниже Т_с в однородном магнитном поле, направленном вдоль оси цилиндра. После выключения поля измерялся магнитный поток, захваченный сверхпроводящим цилиндром. Оказалось, что захваченный поток квантуется, причем квант потока обратно пропорционален заряду 2е, т.е. действительно сверхпроводящее состояние связано с электронными куперовскими парами.

Сверхпроводниками оказались многие металлы и их сплавы. Наибольшее Т_с оказалось у соединений ниобия Nb₃Sn – 18 K, Nb₃Gе – 23К).

Хотя открытие высокотемпературной сверхпроводимости привело к резкому увеличению критической температуры, но Т_с все еще остается слишком низкой, чтобы на практике использовать сверхпроводящие линии электропередач, не имеющие тепловых потерь. Тем не менее, практические применения сверхпроводников, начатые еще для обычных, с открытием высокотемпературных расширяются. Так, сверхпроводники широко используются для создания сильных магнитных полей. Магнитные поля, созданные электромагнитами с обмотками из высокотемпературных сверхпроводников, позволили вплотную подойти к осуществлению управляемой реакции термоядерного синтеза. Высокотемпературные сверхпроводники используются для создания новых быстродействующих элементов вычислительной техники, приборов, регистрирующих электромагнитное излучение и др.

Для выяснения природы носителей тока в металлах был поставлен ряд опытов. Прежде всего отметим опыт Рикке, осуществленный в 1901 г. Рикке взял три цилиндра — два медных и один алюминиевый — с тщательно отшлифованными торцами. После взвешивания цилиндры были сложены вместе в последовательности: медь—алюминий—медь. Через такой составной проводник пропускался непрерывно ток одного и того же направления в течение года. За все время через цилиндры прошел заряд, равный . Взвешивание показало, что пропускание тока не оказало на массу цилиндров никакого влияния. При исследовании соприкасавшихся торцов под микроскопом не было обнаружено проникновения одного металла в другой. Результаты опыта свидетельствовали о том, что перенос заряда в металлах осуществляется не атомами, а какими-то частицами, входящими в состав всех металлов. Такими частицами могли быть открытые в 1897 г. Томсоном электроны.

Чтобы отождествить носители тока в металлах с электронами, нужно было определить знак и числовое значение удельного заряда носителей. Опыты, поставленные с этой целью, основывались на следующих соображениях. Если в металлах имеются способные перемещаться заряженные частицы, то при торможении металлического проводника эти частицы должны некоторое время продолжать двигаться по инерции, в результате чего в проводнике возникнет импульс тока и будет перенесен некоторый заряд.

Пусть проводник движется вначале со скоростью (рис. 77.1). Начнем тормозить его с ускорением w.

Продолжая двигаться по инерции, носители тока приобретут относительно проводника ускорение . Такое же ускорение можно сообщить носителям в неподвижном проводнике, если создать в нем электрическое поле напряженности т. е. приложить к концам проводника разность потенциалов

( — масса и заряд носителя, I — длина проводника). В этом случае по проводнику потечет ток силы где R — сопротивление проводника (У считается положительной, если ток течет в направлении движения проводника). Следовательно, за время через каждое сечение проводника пройдет заряд

Заряд, прошедший за все время торможения, равен

(заряд положителен, если он переносится в направлении движения проводника).

Таким образом, измерив и R, а также заряд q, проходящий по цепи при торможении проводника, можно найти удельный заряд носителей. Направление импульса тока даст знак носителей.

Первый опыт с ускоренно движущимися проводниками был поставлен в 1913 г. Мандельштамом и Папалекси. Они приводили катушку из проволоки в быстрые крутильные колебания вокруг ее оси. К концам катушки подключался телефон, в котором был слышен звук, обусловленный импульсами тока.

Количественный результат был получен Толменом и Стюартом в 1916 г. Катушка из провода длиной 500 м приводилась во вращение, при котором линейная скорость витков составляла 300 м/с. Затем катушка резко тормозилась и с помощью баллистического гальванометра измерялся заряд, протекавший в цепи за время торможения. Вычисленное по формуле (77.1) значение удельного заряда носителей получалось очень близким к для электронов. Таким образом, было экспериментально доказано, что носителями тока в металлах являются электроны.

Ток в металлах можно вызвать крайне малой разностью потенциалов. Это дает основание считать, что носители тока — электроны перемещаются по металлу практически свободно. К тому же выводу приводят и результаты опыта Толмена и Стюарта.

Если от каждого атома отщепится по одному электрону, то концентрация свободных электронов (т. е. их число в единице объема) будет равна количеству атомов в единице объема. Число атомов в единице объема равно где — плотность металла, М — масса моля, — число Авогадро. Для металлов значения заключены в пределах от (для калия) до (для бериллия). Следовательно, для концентрации свободных электронов (или, как их еще называют, электронов проводимости) получаются значения порядка

Загрузить презентацию (342 кБ)

- раскрыть понятие физической природы электрического тока в металлах, опытное подтверждение электронной теории;

- продолжить формирование естественно-научных представлений по изучаемой теме

- создать условия для формирования познавательного интереса, активности учащихся

- формированию коммуникативного общения.

Оборудование: интерактивный комплекс SMART Board Notebook, локальная сеть компьютеров, интернет.

Метод ведения урока: комбинированный.

Науку все глубже постигнуть стремись,
Познанием вечного жаждой томись.
Лишь первых познаний блеснет тебе свет,
Узнаешь: предела для знания нет.

Фирдоуси
(Персидский и таджикский поэт, 940-1030 гг.)

II. Работа в группах

V. Домашнее задание

- Здравствуйте, ребята! Садитесь. Сегодня наша работа будет проходить по группам.

I. Физическая природа зарядов в металлах.

III. Опыт Стюарта, Толмена. Опыт Мандельштама, Папалекси.

IV. Теория Друде.

V. Вольт-амперная характеристика металлов. Закон Ома.

VI. Зависимость сопротивления проводников от температуры.

Содержание заданий, выполненных в группах.

1. Электрическая проводимость представляет собой способность веществ проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля.

По физической природе зарядов – носителей электрического тока, электропроводность подразделяют на:

2. Для каждого вещества при заданных условиях характерна определенная зависимость силы тока от разности потенциалов.

По удельному сопротивлению вещества принято делить на:

А) проводники (p -2 Ом*м)

Б) диэлектрики (p > 10 -8 Ом*м)

В) полупроводники (10 -2 Ом*м> p>10 -8 Ом*м)

Однако такое деление условно, т. к. под воздействием ряда факторов (нагревания, облучения, примеси) удельное сопротивление веществ и их вольт - амперная характеристика изменяются, и иногда очень существенно.

3. Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Доказано классическими опытами К. Рикке (1901 г.) – немецкий физик; Л.И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси (1913 г.) – наши соотечественники; Т. Стюартом и Р. Толменом (1916 г.) – американские физики.

Три предварительно взвешенных цилиндра (два медных и один алюминиевый) Рикке сложил отшлифованными торцами так, что алюминиевый оказался между медными. Затем цилиндры были включены в цепь постоянного тока: через них в течение года проходил большой ток. За то время через электрические цилиндры прошел электрический заряд, равный приблизительно 3.5 млн Кл. Вторичное взаимодействие цилиндров, проводившееся с до 0.03 мг, показало, что масса цилиндров в результате опыта не изменилась. При исследовании соприкасавшихся торцов под микроскопом было установлено, что имеются лишь незначительные следы проникновения металлов, которые не превышают результатов обычной диффузии атомов в твердых телах. Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют.

Опыт Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси

Русские ученые Л. И. Мандельштам (1879—1949; основатель школы радиофизиков) и Н. Д. Папалекси (1880—1947; крупнейший советский физик, академик, председатель Всесоюзного научного совета по радиофизике и радиотехнике при АН СССР) в 1913 году поставили оригинальный опыт. Взяли катушку с проводом и стали крутить ее в разные стороны.

Раскрутят, к примеру, по часовой стрелке, потом резко остановят и — назад.

Рассуждали они примерно так: если электроны и вправду обладают массой, то, когда катушка внезапно останавливается, электроны еще некоторое время должны двигаться по инерции. Движение электронов по проводу — электрический ток. Как задумали, так и получилось. Подсоединили к концам провода телефон и услышали звук. Раз в телефоне слышен звук, следовательно, через него ток протекает.

Опыт Т. Стюарта и Р. Толмен

Возьмём катушку, которая может вращаться вокруг своей оси. Концы катушки с помощью скользящих контактов замкнуты на гальванометр. Если находящуюся в быстром вращении катушку резко затормозить, то свободные электроны в проволоке продолжат двигаться по инерции, в результате чего гальванометр должен зарегистрировать импульс тока.

Электроны в металле рассматриваются как электронный газ, к которому можно применить кинетическую теорию газов. Считается, что электроны, как и атомы газа в кинетической теории, представляют собой одинаковые твердые сферы, которые движутся по прямым линиям до тех пор, пока не столкнутся друг с другом. Предполагается, что продолжительность отдельного столкновения пренебрежимо мала, и что между молекулами не действует никаких иных сил, кроме возникающих в момент столкновения. Так как электрон - отрицательно заряженная частица, то для соблюдения условия электронейтральности в твердом теле также должны быть частицы другого сорта - положительно заряженные. Друде предположил, что компенсирующий положительный заряд принадлежит гораздо более тяжелым частицам (ионам), которые он считал неподвижными. Во времена Друде не было ясно, почему в металле существуют свободные электроны и положительно заряженные ионы, и что эти ионы из себя представляют. Ответы на эти вопросы смогла дать только квантовая теория твердого тела. Для многих веществ, однако, можно просто считать, что электронный газ составляют слабо связанные с ядром внешние валентные электроны, которые в металле "освобождаются" и получают возможность свободно передвигаться по металлу, тогда как атомные ядра с электронами внутренних оболочек (атомные остовы) остаются неизменными и играют роль неподвижных положительных ионов теории Друде.

Электрический ток в металлах

Все металлы являются проводниками электрического тока и состоят из пространственной кристаллической решетки, узлы которой совпадают с центрами положительных ионов, а вокруг ионов хаотически движутся свободные электроны.

Металл можно описать следующей моделью: кристаллическая решетка ионов погружена в идеальный электронный газ, состоящий из свободных электронов. У большинства металлов каждый атом ионизирован, поэтому концентрация свободных электронов приблизительно равна концентрации атомов 10 23 - 10 29 м -3 и почти не зависит от температуры.
Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном хаотическом движении.
Электрический ток в металле образуется только за счет упорядоченного движения свободных электронов.
Сталкиваясь с ионами, колеблющимися в узлах кристаллической решетки, электроны отдают им избыточную энергию. Вот почему при прохождении тока проводники нагреваются.

Электрический ток в металлах.

Где v – средняя скорость направленного движения заряженных частиц, S – площадь поперечного сечения проводника, n – концентрация электронов проводимости.

Оценка скорости движения свободных электронов в проводнике при S= 1 м , I = 10 A

Отметим, что скорость распространения тока в проводнике равна скорости распространения электромагнитных волн в вакууме c = 3*10 8

Из закона Ома для участка цепи следует, что вольт-амперная характеристика металлов – прямая линия

Напомним, что , где p – удельное сопротивление, l – длина, S – площадь поперечного сечения проводника.

Явление уменьшения удельного сопротивления до нуля при температуре, отличной от абсолютного нуля, называется сверхпроводимостью. Материалы обнаруживающие способность переходить при некоторых температурах, отличных от абсолютного нуля, в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками.

Прохождение тока в сверхпроводнике происходит без потерь энергии, поэтому однажды возбужденный в сверхпроводящем кольце электрический ток может существовать неограниченно долго без изменения.

Сверхпроводящий материалы уже используются в электромагнитах. Ведутся исследования, направленные на создание сверхпроводящих линий электропередачи.

Применение явления сверхпроводимости в широкой практике может стать реальностью в ближайшие годы благодаря открытию в 1986 г. Сверхпроводимости керамик – соединений лантана, бария, меди и кислорода. Сверхпроводимость таких керамик сохраняется до температур около 100 К.

Молодцы, ребята! С работой справились отлично. Получилась хорошая презентация. Спасибо за урок!

Читайте также: