Elektromos áram fémekben
1.12. Elektromos áram fémekben
Elektromos áram fémek - rendezett elektronok mozgásának elektromos mező. Kísérletek azt mutatják, hogy amikor áram folyik át a fém vezető anyagátadási nem fordul elő, ezért a fém-ionok nem vesz részt a átadása elektromos töltés.
A legmeggyőzőbb bizonyíték elektronikus természetének a jelenlegi fémekben kaptuk kísérletekben a tehetetlensége az elektronok. Az az elképzelés, ezeket a kísérleteket, és az első kvalitatív eredmények (1913) tulajdonában orosz fizikus LI Mandelstam és Papaleksi. 1916-ban, az amerikai fizikus R. Tolman és skót fizikus B. Stewart javult módszertana ezen kísérletek és végzett kvantitatív mérések, meggyőzően bizonyította, hogy a jelenlegi az fémvezetőből okozta mozgása elektronok.
Vezetési élmény Tolman és Stewart ábrán látható. 1.12.1. Coil sok fordulat vékony huzal került a gyors forgása saját tengelye körül. A végén a tekercs révén a hajlékony vezetékek kapcsoltunk érzékeny galvanométert ballisztikai G. letekercselt állapotban élesen gátolta, és a rövidzárási áram miatt keletkeztek a tehetetlensége a töltéshordozók. A teljes töltés áramlik át az áramkör által mért az üledék a galvanométer tű.
Vezetési élmény Tolman és Stewart
Fékezés során a forgó tekercs mindkét töltéshordozó jár e visszatartó erő, amely szerepet játszik a külső erő. azaz nem elektromos eredetű. Kétoldalas erő egységnyi töltés, definíció szerint a térerősség E cikk külső erők:
Következésképpen, a fékezési áramkör a tekercs egy elektromotoros erő egyenlő
ahol l - hossza a tekercs huzal. A lefutási idő a tekercs áramkör szivárgások q töltéssel. egyenlő
Ahol én - a pillanatnyi értéke a jelenlegi a tekercs, R - a teljes ellenállás az áramkör, υ0 - kezdeti lineáris sebessége a huzal.
Ezért a konkrét töltése e / m szabad töltéshordozók fémek:
Minden mennyiségek a jobb oldalon az egyenlet, mérhető. azt találtuk, hogy a szabad töltéshordozók fémek negatív jel, és a hordozó töltés-tömeg arány közel van az adott töltés elektron, nyert egyéb vizsgálatok eredményei alapján a kísérletek a Stewart és Tolman. Így azt találtuk, hogy a szabad töltéshordozók elektronokat a fémek.
A jelenlegi adatok szerint egységhez elektron töltése (egység töltés) van
és van egy különleges díjat
Jó elektromos vezetőképessége fémek miatt a nagy koncentrációjú szabad elektronok egyenlő nagyságrendű a atomok száma egységnyi térfogatban.
Az a feltételezés, hogy az elektromos áram fémekben az elektronok felelősek, volt egy sokkal korábbi kísérletek Tolman és Stewart. 1900-ban a német tudós P. Drude alapján azt a hipotézist, hogy létezik a szabad elektronok fémekben létrehozott elektronikus elmélet a vezetőképesség a fémek. Ezt az elméletet fejlesztette ki a holland fizikus H. Lorentz és az úgynevezett klasszikus elektron elmélet. Ezen elmélet szerint az elektronok fémekben viselkednek mint elektron gáz nagyjából hasonló az ideális gáz. Elektronikus gáz kitölti a teret közötti alkotó ionok a kristályrács a fém (ábra. 1.12.2).
A gáz a szabad elektronok a fémrács. Ez azt mutatja, a pálya egyik elektron
Mivel a kölcsönhatása ionok az elektronok hagyhatnak a fém, egy úgynevezett törés potenciálgát. A magassága ezt az akadályt az úgynevezett kilépési munka. Környezeti (szoba) hőmérsékleten az elektronok nem elég energiát leküzdeni a potenciális akadályt.
Mivel a kölcsönhatás a kristályrács potenciális energia az elektron karmester kevesebb, mint amikor eltávolítja egy elektront egy karmester. Az elektronok egy karmester vannak egyfajta „potenciális jól”, a mélység, amely az úgynevezett potenciális akadályt.
Ahogy az ionok a rácsot alakító és elektronok részt vesz a termikus mozgás. Ionok végre rezgések termálfürdő közelében egyensúlyi állapotok - kristályrács oldalakon. Szabad elektronok kiszámíthatatlanul és mozgása előtt álló rács ionok. Ennek eredményeként az ilyen ütközések termodinamikai egyensúly jön létre az elektron gáz és a rács. Szerint a Lorentz-Drude elmélet az elektronok azonos átlagos energia hőmozgást mint egyatomos ideális gáz. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy becslése szerint az átlagos sebesség a hőmozgás elektronok molekuláris képlete a kinetikus elmélet. Szobahőmérsékleten ez körülbelül egyenlő 10 5 m / s.
Ha külső elektromos mezőt a fém vezetővel, kivéve a termikus mozgást az elektronok történik velük szabályos mozgását (migráció), azaz az elektromos áram. Az átlagos driftsebesség lehet becsülni a következő szempontokat. Alatt az időintervallum Δ t keresztül keresztmetszete S a vezeték elmúlik, minden elektronok oltalmi körébe tartoznak
Az elektronok száma egyenlő ahol n - az átlagos koncentrációja a szabad elektronok közelítőleg egyenlő a atomok száma egységnyi térfogatban a fém vezetővel. Miután egy része a vezető időben Δ t fogja venni a Ebből következik:
A koncentráció a N atomok fémekben belül van október 28 -10 29 -3 m.
Ennek alapján ezt a képletet, a fémes vezetőt keresztmetszete 1 mm 2, amelyen keresztül egy áram 10 A volt áramlások, így átlagos sebessége a megrendelt elektron mozgás belüli értéket 0,6-6 mm / c. Így az átlagos sebessége rendezett mozgását elektronok fémes vezetékek sokkal kisebb, mint az átlagos sebessége a termikus mozgás ábra. 1.12.3 ad egy ötlet a természet szabad elektron egy kristályrács.
Mozgása a szabad elektronok a kristályrácsban: egy - véletlenszerű mozgását elektronok egy fém rács; b - a kaotikus mozgás sodródás okozta elektromos mező. Nagysága a drift nagymértékben eltúlzott
Alacsony sodródás sebessége ellentmond a kísérleti tény, hogy a jelenlegi a DC kapcsolat jön létre szinte azonnal. Rövidzárlat okozza a terjedését az elektromos mező sebességgel c = 3 × 10 8 m / s. Egy idő után a sorrendben az L / c (l - lánchosszúságú) a lánc mentén egy stacionárius elektromos tér eloszlása, és kezdődik egy rendezett mozgását elektronok.
A klasszikus elektron elmélete fémek azt feltételezzük, hogy a mozgás az elektronok tartsa be a törvényeket a newtoni mechanika. Ebben az elméletben, elhanyagolva a elektronok közti kölcsönhatást, valamint azok kölcsönhatását a pozitív ionok csak csökkenti az ütközések. Azt is feltételezzük, hogy minden egyes ütközés az elektron rács továbbítja a felhalmozott energia az elektromos mező, ezért az ütközés után kezd mozdulni abból a nullponteltolódás arány.
Annak ellenére, hogy az összes ilyen feltételezések nagyon hozzávetőleges, klasszikus elektron elmélet megmagyarázza minőségileg jogszabályok elektromos áram fémes vezetők.
Ohm-törvény. Közötti időszakban az ütközés az elektron erő egyenlő nagyságú -os. azzal az eredménnyel, hogy szerez gyorsulás Ezért, a végén a szabad úthossza az elektron driftsebesség jelentése
ahol τ - a szabad utat, hogy egyszerűsítse az számítások azonosnak tekintünk minden elektronokat. Az átlagos értéke a driftsebesség felével egyenlő a maximális érték:
Tekintsük a vezetékhossz L és keresztmetszet S elektronsűrűség n. A jelenlegi a vezető felírható:
Így a klasszikus elektron elmélet megmagyarázza a létezését az elektromos ellenállás a fémek, Ohm-törvény és a Joule. Ugyanakkor számos kérdés a klasszikus elektron elmélet vezet következtetéseket, amely ellentmond a tapasztalat.
Ez az elmélet nem, például, hogy miért a moláris hőkapacitása fémek, valamint a moláris hő dielektromos kristályok 3, ahol R. R - egyetemes gázállandó (Act Dulong és Petit, cm H I, § 3.10 ..). A jelenlévő szabad elektronok a fém befolyásolja a nagysága a hőtároló képessége.
Klasszikus elektron elmélet is magyarázza hőmérsékletfüggése Az ellenállás a fémek. Az elmélet adja a kapcsolat, míg a kísérleti úton függőség ρ
T. Azonban, a legszembetűnőbb példája közötti diszkrepancia elmélet és kísérlet szupravezetés.
A klasszikus elektron elmélet, az egyedi fém ellenállást csökkenteni kell monoton hűtés, míg a fennmaradó végén minden hőmérsékleten. Az ilyen függőség valóban kísérletek során viszonylag magas hőmérsékleten. Alacsonyabb hőmérsékleten néhány kelvin ellenállása sok fémet már nem függ a hőmérséklettől, és elér egy bizonyos határértéket. Azonban a legnagyobb érdeklődés a csodálatos jelenség szupravezetés. Nyílt dán fizikus H. Kamerlingh Onnes 1911. Egy bizonyos hőmérséklet T cr. különbözik a különböző anyagok, a fajlagos ellenállás ugrásszerűen csökken nullára (ábra. 1.12.4). A kritikus hőmérséklet a higany 4.1 K, 1.2 K alumínium, ón 3,7 K. szupravezetés figyelhető nemcsak a sejtekben, hanem számos kémiai vegyületek és ötvözetek. Például, a nióbium vegyületet ón (Ni3 Sn) kritikus hőmérséklete 18 K. Egyes anyagok elhaladó alacsony hőmérsékleten a szupravezető állapotban, nem vezetékek közönséges hőmérsékleten. Ugyanakkor az ilyen „jó” vezetők, mint a réz és az ezüst, nem lesz szupravezető alacsony hőmérsékleten.
A függőség a fajlagos ellenállása ρ az abszolút hőmérséklet T alacsony hőmérsékleten: egy - normál fém; b - szupravezető
Anyagok a szupravezető állapot kivételes tulajdonságokkal. Szinte a legfontosabb ezek közül az a képesség, hosszú ideig (több év), hogy támogassák az elektromos áram csillapítás nélkül, izgatott egy szupravezető áramkör.
Klasszikus elektron elmélet nem tudja megmagyarázni a jelenséget szupravezetés. mechanizmusa ez a jelenség magyarázatot adta csak 60 évvel a felfedezése után alapján kvantummechanikai fogalom.
Tudományos érdeklődés szupravezetés nőtt a felfedezés új anyagok nagyobb kritikus hőmérsékletet. Egy jelentős lépést ebben az irányban történt 1986-ban, amikor felfedezték, hogy összetett kerámia vegyületet T cr = 35 K. A következő 1987 fizikusok sikerült létrehozni egy új kerámia, amelynek a kritikus hőmérséklete 98 K, meghaladja a folyékony nitrogén hőmérsékletén (77 K ). Az a jelenség, átmeneti anyag a szupravezető állapotba hőmérsékleten magasabb, mint a forráspontja a cseppfolyós nitrogén hőmérsékletén, már az úgynevezett magas hőmérsékletű szupravezetés. 1988-ban, hogy jött létre kerámia alapú vegyület elemek Tl-Ca-Ba-Cu-O, amelynek a kritikus hőmérséklete 125 K.
Jelenleg intenzív munka is az új anyagok még magasabb értékek T kr. A tudósok remélik, hogy kap egy anyagot a szupravezető állapot szobahőmérsékleten. Ha ez megtörténik, akkor lesz az igazi forradalom a tudomány, a technológia és általában az emberek életében.
Meg kell jegyezni, hogy a mai napig a mechanizmus a magas hőmérsékletű szupravezető kerámia anyagok nem teljesen tisztázott.