Инерция электрона: эксперименты толмена–стюарта и мандельштама–папалекси

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение. Модель металла — кристаллическая решетка, в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение.

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

Обрати внимание!

В узлах кристаллической решётки расположены положительные ионы. В пространстве между ними движутся свободные электроны.

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален.

Свободные электроны движутся в нём беспорядочно. Если создать в металле электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно (упорядоченно), т.е. возникнет электрический ток.

Однако беспорядочное движение электронов сохраняется.

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси 

Обрати внимание!

Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.

Какова же скорость движения электронов в проводнике под действием электрического поля? Невелика — всего несколько миллиметров в секунду, а иногда и ещё меньше.

Если возникает в проводнике электрическое поле, оно с огромной скоростью распространяется по всей длине проводника (близкой к скорости света — 300 000 км/с), одновременно начинают двигаться электроны в одном направлении по всей длине проводника.Доказательством того, что ток в металлах обусловлен электронами, явились опыты.

Опыт Мандельштама и Папалекси был проведён в 1916 году. Цель опыта состояла в проверке того, есть ли масса у носителя электрического тока — электрона. Если масса у электрона есть, то он должен подчиняться законам механики, в частности, закону инерции.

К примеру, если движущийся проводник резко затормозить, то электроны ещё некоторое время будут двигаться в том же направлении по инерции.Для этой проверки исследователи вращали катушку с проходящим током, а затем резко останавливали её. Возникающий бросок тока регистрировали с помощью телефона.

По щелчку тока в телефонах Мандельштам и Папалекси установили, что электрон обладает массой. Но измерить эту массу они не смогли. Поэтому этот опыт — качественный. Позже американские физики Толмен и Стюарт, используя ту же идею вращения катушки, измерили массу электрона. Для этого они измеряли возникающий при торможении катушки заряд на её выводах.

Электрический ток может существовать не только в металлах, но и в других средах: в полупроводниках, газах и растворах электролитов. Носители электрических зарядов в разных средах разные.

Обрати внимание!

Так, в растворах электролитов (солей, кислот и щелочей) носителями являются положительные и отрицательные ионы, в газах — положительные и отрицательные ионы, а также электроны. В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки (дырка — придуманная частица для объяснения механизма проводимости, по сути — свободное место, не занятое электроном).

Из полупроводников изготавливают полупроводниковые приборы. Вот некоторые из них:

Фотоэлемент Фоторезистор Фотодиоды Интегральные схемы Транзисторы Диоды
Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

Полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток, т.е. являются диэлектриками. При повышении температуры число носителей электрического заряда увеличивается, полупроводник становится проводником.

Почему это происходит? Валентные электроны, находящиеся на внешней оболочке атома, становятся свободными, и под действием электрического поля в полупроводнике возникает электрический ток. Аналогичный процесс происходит в полупроводнике при воздействии на него света, примесей и т.д.

Изменение электропроводимости полупроводников под действием температуры позволяет применять их в качестве термометров.

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

Изменение электропроводимости полупроводников под воздействием света используется в фотосопротивлениях. Их применяют для сигнализации, при управлении производственными процессами на расстоянии, сортировке деталей. В экстренных ситуациях они позволяют автоматически останавливать станки и конвейеры, предупреждая несчастные случаи.

Исторически принято следующее: 

Направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике.

При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения электронов.

Этот же процесс можно видеть на анимации. Движение электронов показано синими точками, а направление тока — красной стрелкой.

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси 

Прохождение тока по проводнику сопровождается следующими его действиями:

 • Магнитным (наблюдается во всех проводниках).

Используя это свойство, можно найти место обрыва фазового провода приборами, реагирующими на изменения в электромагнитном поле, к примеру, индикаторной отвёрткой с фазоискателем.

Если проволочную рамку, по которой течёт ток, поместить между полюсами магнита, то она станет поворачиваться. Данное явление используют в устройстве гальванометра.

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

Стрелка гальванометра связана с подвижной катушкой, находящейся в магнитном поле. Когда по катушке протекает ток, стрелка отклоняется.

Таким образом, с помощью гальванометра можно сделать вывод о наличии тока в цепи. Магнитное действие тока проявляется вне зависимости от агрегатного состояния вещества.

При замыкании ключа можно наблюдать, как проволока, намотанная на гвоздь, начинает притягивать небольшие железные предметы.

Это свойство широко используется в грузоподъёмных электромагнитах.

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

• Тепловым (наблюдается во всех проводниках, кроме сверхпроводников).

При прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается. Это явление проявляется в любых устройствах, имеющих нагревательный элемент: фен, плойка, электроплита, калорифер, стиральная машина, тостер, электровафельница и т.д. И даже спираль лампочки накаливания нагревается током до яркого накаливания.

Под действием тока нагревается и провисает проволока.

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

• Химическим (наблюдается в электролитах).

  

Химическое действие тока применяется для покрытия одного металла слоем другого металла, например, при хромировании и никелировании.

Условные обозначения, применяемые на схемах:

Гальванометр Нагревательный элемент

Источники:

Пёрышкин А.В. Физика, 8 класс// ДРОФА, 2013.

http://festival.1september.ru/articles/633714/

лекция

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

Ранее отмечалось, что протекание тока в металлах обусловлено наличием свободных электронов. Существуют экспериментальные доказательства данного утверждения.

1.Опыт Рикке (1911)

Немецкий ученый Рикке поставил следующий эксперимент. Через три последовательно соединенных металлических цилиндра (медь, алюминий, медь) в течение года протекал электрический ток.

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

За год прошел электрический заряд Q=3,5 МКл.

Не было зарегистрировано изменение массы этих проводников с точностью до 0,03 мг.

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

Это говорит о том, что ток обусловлен движением частиц, одинаковых для всех металлов.

2.Опыты Папалекси и Мандельштама (1912–1913)

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

Русские ученые предложили следующую идею: есть проводник, который движется с некоторой скоростью, а потом резко тормозится.

С помощью данного эксперимента можно было установить знак частиц, отвечающих за ток в металлах. Их эксперименты показали, что это отрицательные частицы. Опыт можно было бы выполнить и с количественным результатом, но помешала первая мировая война.

Читайте также:  Применение катушек индуктивности

3.Опыты Толмена – Стюарта (1915–1916)

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

Опыт был поставлен в лаборатории калифорнийского университета США с численным результатом.

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

С помощью данных экспериментов было подтверждено, что ток обусловлен движением отрицательных частиц и был измерен удельный заряд.

В 1897 году Дж. Дж. Томсон открыл электрон, для которого удельный заряд равен:

Оказалось, что ток в металлах обусловлен движением электронов.

4.Электроны в металле

Электрон в атоме находится в потенциальной яме.

Когда атомы объединяются в кристаллическую решетку, их потенциальные ямы перекрываются. Энергии  электрона может хватить, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Электрон начинает принадлежать не одному атому, а всему кристаллу. Говорят, что электроны обобществляются или коллективизируются и в металлах существует электронный газ.

Электроны абсолютно свободны в металле, т.к. очень малой разности потенциалов хватает для возникновения тока. Электронный газ выполняет связывающую роль для кристаллов.

Несложно оценить концентрацию электронов в металле.

Такой же порядок концентрации дают и другие, в том числе экспериментальные, методы, например, эффект Холла (см. далее).

5.Классическая электронная теория Друде – Лоренца

Считаем, что электронный газ является идеальным и подчиняется статистике Максвелла-Больцмана.

Дрейфовую скорость упорядоченного движения можно оценить

Это скорость каждого отдельного электрона. За возникновение тока отвечает скорость передачи возбуждения по цепи, т.е. скорость света.

  • Считаем, что электроны между собой не взаимодействуют, а взаимодействие с узлом кристаллической решетки сводится к столкновениям и передачи им энергии электрона. Пусть время между столкновениями τ, тогда скорость равна
  • То есть, получаем закон Ома в дифференциальной форме.
  • Получим закон Джоуля – Ленца в дифференциальной форме.
  • Теория Друде – Лоренца позволяет обосновать законы Ома и Джоуля – Ленца.

6.О нарушениях закона Ома

  1. Закон Ома справедлив, пока электростатическая энергия много меньше тепловой.

  2. Для газов:
  3. Данное значение напряженности для газов достаточно скромное, поэтому в газах закон Ома не выполняется.

  4. Для металлов:

Для металла такие напряженности невозможны, т.к. нагревание столь велико, что металл испаряется, следовательно, для металлов закон Ома выполняется практически всегда.

Закон Ома нарушается, если характерное время процесса меньше или равно времени пробега.

Закон Ома не выполняется для нелинейных элементов (диод, триод и т.д.), для полупроводников и для контактов металл-полупроводник и полупроводник-полупроводник. Это хорошо, т.к. иначе не существовало бы электроники.

7.Закон Видемана – Франца

Отношение коэффициента теплопроводности к удельной проводимости пропорционально температуре.

Качественно этот закон легко объясним, т.к. за перенос тепла и за перенос заряда отвечают одни и те же частицы (электроны).

Теория Друде – Лоренца позволяет рассчитать коэффициент β, который более или менее удовлетворительно сходится с экспериментальным.

8.Недостатки теории Друде – Лоренца

Теплоемкость электронного газа . Теплоемкость кристаллической решетки – 3R, следовательно, теплоемкость кристалла должна быть – 4,5R. Закон Дюлонга и Пти утверждает, что теплоемкость кристалла –3R.

Не объясняется явление сверхпроводимости.

Вычисленное по экспериментальным данным время пробега оказывается слишком большим, т.е. при таком времени электрон мог бы проходить сотни постоянных решёток.

Данные недостатки объясняются тем, что электронный газ – газ квантовый и подчиняется не статистике Максвелла-Больцмана, а статистике Ферми – Дирака. Классическая теория Друде – Лоренца качественно хорошо объясняет известные закономерности, а количественные – удовлетворительно.

Новая мысль

  • Дата: 1913 (Мандельштам–Папалекси), 1916 (Толмен–Стюарт).
  • Методы: качественная регистрация явления (Мандельштам–Папалекси),количественное измерение (Толмен–Стюарт).
  • Прямота эксперимента: непосредственное наблюдение (Мандельштам–Папалекси), практически прямое измерение (Толмен–Стюарт).
  • Искусственность изучаемых условий: сами условия достаточно просты (ускоренно движущийся проводник), но величина эффекта при малых ускорениях очень мала, поэтому он не наблюдается в повседневном опыте.
  • Исследуемые фундаментальные принципы: электронный характер тока в металлах.
Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси
Ричард Толмен Леонид Мандельштам Николай Папалекси

Эксперименты, проведенные американскими учеными Ричардом Чейсом Толменом (1881–1948) и Томасом Дейлом Стюартом (1890–1958) и в почти не отличающемся виде отечественными физиками Леонидом Исааковичем Мандельштамом (1879–1944) и Николаем Дмитриевичем Папалекси (1880–1947), показали возможность создания кратковременного электрического тока в металлическом проводнике инерционными методами.

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

В качестве этого проводника использовалась катушка индуктивности, которая раскручивалась вокруг своей оси и резко останавливалась (см. рис. справа). Длина проволоки составляла 500м, а линейная скорость вращения — 500м/с.

Катушка с помощью скользящих контактов была подключена к гальванометру, который регистрировал возникновение инерционной ЭДС. Фактически можно сказать, что в данном опыте роль сторонних сил, создающих ЭДС, играла сила инерции.

Эту ЭДС нетрудно посчитать исходя из ее определения через сторонние силы , действующие на заряды внутри проводника, подвергшегося торможению:

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

где  — заряд электрона, а интегрирование проводится по всей длине тормозящегося провода (т.е. по всей катушке). Используя теперь выражение для силы инерции, упоминавшееся в разделе про маятник Фуко, мы получаем, что в ЭДС дает вклад только сила инерции, связанная с вращательным ускорением , тогда имеем:

  1. Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси
  2. где  — длина проводника,  — радиус катушки, а  — ее угловая скорость вращения.
  3. По закону Ома теперь легко получается полный заряд, протекший через гальванометр (считаем, что сопротивление гальванометра гораздо меньше сопротивления самой катушки ):
  4. Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

где  обозначает разность угловых скоростей катушки до и после торможения. Как видим, в зависимости от направления вращения катушки протекший заряд может иметь противоположные знаки, на основе чего в опыте Толмена–Стюарта и был определен знак заряда носителей тока в металле.

Практически заряд, протекший в цепи, измеряют с помощью баллистического гальванометра, и это давало возможность определить отношение  для носителей заряда. Оказалось, что это отношение совпало с измеренным Дж.Дж.

 Томсоном для частиц, из которых состояли катодные лучи (электронов), что убедительно доказало именно электронный характер тока в металлах.

В опыте Мандельштама–Папалекси вместо гальванометра использовался головной телефон (наушники), скрежет в котором можно было интерпретировать как возникновение кратковременного тока.

Это, конечно, не давало возможность ни определить знак носителей заряда, ни идентифицировать их, но явно показывало, что ток в металлах «протекает сквозь» кристаллическую решетку, т.е.

связан со свободными носителями заряда, а, не с поляризацией, например.

Читайте также:  Как защитить квартиру от превышения напряжения

Урок 32. электрический ток в металлах — Физика — 10 класс — Российская электронная школа

  • Физика, 10 класс
  • Урок 32. Электрический ток в металлах
  • Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
  • 1) прохождение тока в металлах;
  • 2) зависимость сопротивления металлов от температуры;
  • 3) явление сверхпроводимости.
  • Глоссарий по теме
  • Свободные электроны – это электроны, не связанные с определенными атомами.
  • Сверхпроводимость – физическое явление, заключающееся в скачкообразном падении до нуля сопротивления вещества.
  • Температурный коэффициент сопротивления — величина, равная относительному изменению электрического сопротивления участка электрической цепи или удельного сопротивления вещества при изменении температуры на 1 К.
  • Основная и дополнительная литература по теме урока:
  • Обязательная литература:

Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 216-224.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. — М.: Дрофа, 2009.- С.81-89.

М.М. Балашов О природе М., Просвещение, 1991г.

Е.А. Марон, А.Е. Марон Сборник качественных задач по физике. М., Просвещение, 2006

Я.И. Перельман Занимательная физика. М.: “Наука”, 1991.

Основное содержание урока

Все тела по проводимости электрического тока делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Для того чтобы электрическую энергию доставить от источника тока потребителю составляют электрические цепи. В большинстве случаев в электрической цепи используются металлические провода. По физической природе зарядов – носителей электрического тока, электропроводность подразделяют на:

  1. А) электронную,
  2. Б) ионную,
  3. В) смешанную.
  4. Какие заряженные частицы движутся в металлах при наличии тока?

После открытия в 1897 году английским ученым Дж. Дж. Томсоном электрона стали разрабатываться теории, объясняющие электропроводность металлов. Автором первой теории был Пауль Друде – немецкий физик. Эта теория нуждалась в опытном обосновании. В 1901 г. немецкий физик Э. Рикке поставил опыт по исследованию прохождения тока в металлах.

Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют. Впоследствии вопросом проводимости металлов заинтересовались и другие учёные. В 1913 году российские учёные Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси провели опыты по исследованию проводимости металлов.

Суть опытов сводилась к тому, что катушка, на которую наматывали металлическую проволоку приводили во вращательное движение и резко тормозили. При торможении электроны продолжали двигаться по инерции и гальванометр, соединенный с катушкой фиксировал появление тока.

По направлению отклонения стрелки гальванометра было установлено, что ток создается движением отрицательно заряженных частиц. На основании измерения отношения заряда частиц к их массе выяснилось, что ток создается движением свободных электронов. Аналогичный опыт был поставлен в 1916 году американскими учеными Т.

Стюартом и Р. Толменом. Результаты опытов говорили, что ток в металлах создается движением электронов.

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

После анализа имеющихся данных о прохождении тока в металлах разными учеными была разработана современная классическая теория проводимости тока металлами. Основные положения электронной теории проводимости металлов.

1. 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 1023- 1029м-3 и почти не зависит от температуры.

2.Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном хаотическом движении.

3. Электрический ток в металле образуется только за счет упорядоченного движения свободных электронов.

Опираясь на данную теорию удалось объяснить основные законы электрического тока в металлах. Исходя из электронной теории можно найти связь между силой тока в металлах и скоростью движения электронов.

Сила тока равна произведению заряда электрона, их концентрации, площади сечения проводника и средней скорости движения электронов:

Если в эту формулу подставлять числовые данные силы тока, концентрации и площади сечения для разных металлов, то мы увидим, что средняя скорость движения электронов составляет всего лишь какие-то доли миллиметра в секунду. Когда говорят о скорости распространения тока имеют в виду скорость распространения электрического поля в проводнике, которое равно скорости света.

На силу тока в проводнике влияет и сопротивление проводника. Опыт показывает, что сопротивление металлов зависит от температуры.

Увеличение сопротивления можно объяснить тем, при повышении температуры увеличивается скорость и амплитуда хаотического движения ионов кристаллической решетки металла и свободных электронов.

Это приводит к более частым их соударениям, что затрудняет направленное движение электронов, то есть увеличивает электрическое сопротивление.

зависимость сопротивления металлов от температуры выражается формулой:

При нагревании размеры проводника практически не меняются, в основном меняется удельное сопротивление. Учет зависимости сопротивления от температуры используется в термометрах сопротивления.

Формула зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры имеет вид:

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

  • где ρ0 — удельное сопротивление при 0 градусов,
  • t — температура,
  • α — температурный коэффициент сопротивления.
  • Графиком зависимости ⍴(t) является прямая.

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

Хотя коэффициент α довольно мал, учет зависимости сопротивления от температуры при расчете нагревательных приборов совершенно необходим.

При понижении температуры сопротивление металлов должно уменьшаться. В 1911 году датский физик Х. Каммерлинг — Оннес открыл явление, названное сверхпроводимостью.

Исследуя зависимость сопротивления ртути от температуры, он обнаружил, что при температуре 4,12 К сопротивление ртути исчезает. В сверхпроводящее состояние могут перейти многие химические соединения и сплавы.

Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах.

Вещества, находящиеся в сверхпроводящем состоянии, приобретают новые свойства. Наиболее важным из них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток в проводниках.

Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Теоретическое объяснение явления сверхпроводимости на основе квантово-механических представлений было дано учеными Дж. Бардиным, Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) в 1957 г.

В 1986 году была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).

В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ переходящими в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре. Ученые надеются получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если удастся создать сверхпроводник при нормальной температуре, то будет решена проблема передачи электроэнергии по проводам без потерь.

Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.

Читайте также:  Схема подключения солнечных батарей

Открытие вещества, переходящего в сверхпроводящее состояние при комнатной температуре, позволило бы упростить решение многих технических вопросов.

Во-первых, отсутствие сопротивления означает отсутствие каких-либо потерь на нагревание.

Отсутствие нагревания и потерь энергии на него чрезвычайно важно для электродвигателей и электронной вычислительной техники, а также для передачи электроэнергии.

В сверхпроводниках из-за отсутствия сопротивления протекают чрезвычайно высокие токи, создающие сильные магнитные поля, что может применяться при термоядерном синтезе для удержания высокотемпературной плазмы в реакторе.

На сегодняшний момент в некоторых странах существует железнодорожная сеть с поездами на магнитной подушке.

После открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннес, пытаясь создать сверхпроводящий электромагнит, обнаружил, что изменение тока, или же магнитные поля, разрушают эффект сверхпроводимости.

Только к середине двадцатого века удалось создать сверхпроводящие электромагниты. На данный момент продолжаются исследования по изучению высокотемпературной сверхпроводимости.

Разбор типовых тренировочных заданий

1. Сопротивление железного проводника при 0 0 С и 600 0С равны соответственно 2 Ом и 10 Ом. Каков температурный коэффициент железа?

Решение:

Зависимость сопротивления металлов от температуры определяется формулой

Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

Из этой формулы выразим температурный коэффициент железа – α

  1. После подстановки числовых данных получаем

2. Какова скорость дрейфа электронов в медном проводе диаметром 5 мм, по которому к стартеру грузовика подводится ток 100 А. Молярная масса меди

  • Дано:
  • I=100 А
  • d=0,005 м
  • ____________
  • υ=?
  • Решение:
  • Сила тока в проводнике равна:
  • Выразим скорость из этой формулы:
  • Концентрацию электронов найдем по формуле:
  • Число электронов найдём по формуле:
  • Площадь сечения равна:
  • Учитывая всё это запишем конечную формулу для расчёта скорости дрейфа электронов:
  • После подстановки числовых данных получим:
  • υ=0,4 мм/с
  • Ответ: υ=0,4 мм/с

Электрический ток в металлах

Электрическим током в физике называется согласованное (упорядоченное, однонаправленное) перемещение электрически заряженных элементарных частиц (электронов, протонов, ионов) или заряженных макроскопических частиц (например, капель дождя во время грозы).

В веществах, находящихся в различных агрегатных состояниях (твердое тело, жидкость, газ) ток может формироваться из разного набора заряженных частиц. Рассмотрим механизм образования электрического тока в металлах.
Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

Вещества, относящиеся к металлам, могут находиться как в твердом, так и в жидком состоянии (ртуть, галлий, цезий и др.). При этом все они являются проводниками электрического тока. Твердые вещества имеют структуру жесткой кристаллической решетки, в узлах которых “сидят” положительно заряженные ионы, совершающие небольшие колебания относительно точки равновесия. В объеме кристалла всегда присутствует большое количество свободных электронов, которые вырвались с орбит атомов в результате механических соударений или воздействия излучений.

Рис. 1. Механизм электрического тока в металлах.

Это электронное “облако” движется беспорядочно, хаотично до тех пор, пока к металлу не будет приложено электрическое поле. Электрическое поле E, созданное внешним источником (батареей, аккумулятором), действует на заряд q с силой F:

Под действием этой силы электроны приобретают ускорение в одном направлении и, таким образом, появляется электрический ток в цепи.

Многочисленные наблюдения показали, что при прохождении электрического тока масса проводников и их химический состав не изменяются. Отсюда следует вывод, что ионы металлов, которые составляют основную массу вещества, не принимают участия в переносе электрического заряда.

Электронную природу тока в металле первыми экспериментально доказали российские физики Мандельштам и Папалекси в 1913 г. Для того, чтобы выяснить, какие частицы создают электрический ток в металлах, они — без подключения внешнего источника — регистрировали ток в катушке из металлического провода, которую сначала сильно раскручивали вокруг собственной оси, а затем резко останавливали.

Поскольку у электрона есть масса, то он должен подчиняться закону инерции. Поэтому в момент остановки атомы решетки останутся на месте, а свободные электроны по инерции, какое-то время, продолжат движение в прежнем направлении. То есть в цепи должен появиться электрический ток.

Эксперименты подтвердил это предположение — после остановки катушки исследователи регистрировали бросок тока в цепи.

Рис. 2. Опыт Мандельштама и Папалекси.

Этот эксперимент в 1916 г. повторили американцы Стюарт и Толмен. Им удалось повысить точность измерений и получить отношение заряда электрона eэ к значению массы электрона mэ:

$$ {e_э over m_э } = 1,8*10^{11} Кл/кг $$

Этот фундаментальный результат совпал с полученными данными из других экспериментов, поставленных на основе измерения других параметров. Впервые эту величину в 1897 г. измерил англичанин Джозеф Томсон по отклонению пучка электронов в зависимости от напряженности электрического поля.

Скорость распространения электрического поля в металле близка к скорости света в вакууме, которая равна 300000 км/с. Но это не значит, что электроны внутри вещества двигаются с такой же скоростью.

Для проводника с площадью поперечного сечения S = 1 мм2 при силе тока I = 1 A скорость упорядоченного движения электронов равна v = 6*10-5 м/с.

То есть за одну секунду электроны в проводнике за счет упорядоченного движения проходят всего 0,06 мм.

Такие малые значения скоростей движения электронов в проводниках не приводят к запаздыванию включения электрических ламп, включения бытовых приборов и т.д.

, так как при подаче напряжения вдоль проводов со скоростью света распространяется электрическое поле.

Эта скорость настолько велика, что позволяет приводить в движение свободные электроны практически мгновенно во всех проводниках электрической цепи.

Физические свойства электрического тока используются в различных областях жизнедеятельности:

  • Способность электрического тока нагревать проводники используется для изготовления нагревательных бытовых и промышленных приборов;
  • Вокруг провода с электрическим током возникает магнитное поле, что позволило создать электродвигатели, без которых сегодня невозможно обойтись;
  • Передача электроэнергии на различные расстояния осуществляется по проводам линий электропередачи (ЛЭП), по которым течет электрический ток.

Рис. 3. Применение электрического тока.

Итак, мы узнали, что электрический ток в металлах создается упорядоченным движением свободных электронов. Экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создают электроны, впервые получили российские физики Мандельштам и Папалекси. Физические свойства электрического тока в металлах позволили создать большое количество бытовых и промышленных устройств.

Средняя оценка: 4.7. Всего получено оценок: 68.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector