Укажите в каких случаях по металлическому стержню потечет электрический ток

Электрический заряд. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона

Знакомство с явлениями электростатики лучше начинать в сухую погоду. Расчесывая волосы, снимая свитер можно наблюдать в темноте проскакивание крошечных искр и слабое потрескивание. Если потереть пластиковую расческу о волосы и поднести ее к мелким кусочкам бумаги, то они начнут притягиваться к расческе.

Электризация – физическое явление, которое приводит к возникновению взаимодействия (притяжения или отталкивания) двух тел , например, при приведении их в плотный контакт или при трении (стекло и кожа, плексиглас и шерсть, резина и шерсть). Обнаружено в Древней Греции при трении янтаря (по-гречески – «электрон») о шерсть.

Взаимодействие наэлектризованных тел в состоянии покоя называется электростатическим взаимодействием.

Опыты по взаимодействию заряженных тел показали, что в природе существуют два вида заряда. Б. Франклин назвал один из них положительным, а другой – отрицательным. Разноименные заряды притягиваются, а одноименные – отталкиваются.

Различают следующие виды электризации:

1. Трением.
2. Соприкосновением.
3. Через влияние
4. При облучении.

При электризации тел трением всегда одновременно заряжаются оба участвующих в электризации тела (например, стекло и шелк). Причем одно из них приобретает положительный заряд, а другое – отрицательный. Если до электризации оба тела не были заряжены, то величина положительного заряда первого тела оказывается в точности равной величине отрицательного заряда второго тела.

Современная теория объясняет электризацию твердых тел как перемещение электронов, входящих в состав атомов любых тел, с одного тела на другое.

В состав ядра входят положительно заряженные элементарные частицы – протоны. На теле, приобретающем отрицательный заряд, образуется избыточное число электронов по сравнению с числом протонов, а на положительно заряженном теле оказывается недостаток электронов по сравнению с числом протонов.

Электрический заряд – характеристика заряженного тела. Минимальный заряд обозначается буквой e и равен 1,6·10 –19 Кл. Такой заряд имеют электрон и протон. Первые, наиболее точные определения заряда электрона были выполнены американским ученым Р. Милликеном и русским физиком А. Ф. Иоффе.

Для обнаружения и измерения электрического заряда используют электрометр. По углу отклонения стрелки модно судить о величине заряда.

Уменьшение числа электронов в одном теле равно увеличению их числа в другом. При этом полный заряд такой системы не изменяется, оставаясь равным нулю.

Сохранение числа протонов и электронов на соприкасающихся телах объясняет подтверждающийся опытом закон сохранения заряда: в электрически замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов не меняется .

Количественное исследование взаимодействия заряженных тел осуществил в 1785 году французский физик Ш. Кулон (1736-1806). Он исследовал взаимодействие небольших заряженных металлических шариков при помощи крутильных весов.

На тонкой проволоке была подвешена стеклянная палочка с двумя металлическими шариками на концах. Одному шарику сообщали электрический заряд. Рядом с ним помещали неподвижный заряженный таким же по знаку зарядом шар. По углу поворота стеклянной палочки Ш.Кулон определял силу взаимодействия. Расстояние измерялось между центрами шаров.

Модуль силы взаимодействия F₁₂ между двумя неподвижными точечными электрическими зарядами q₁ и q₂ в вакууме пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния R₁₂ между ними.

Точечный заряд – модель реальных заряженных тел, размер которых значительно меньше, чем расстояние между ними.

Если имеется система точечных зарядов, то сила, действующая на каждый из них, определяется как векторная сумма сил, действующих на данный заряд со стороны всех других зарядов системы. При этом сила взаимодействия данного заряда с каким-то конкретным зарядом рассчитывается так, как будто других зарядов нет.

Сила взаимодействия точечных зарядов зависит от свойств среды, в которой они находятся:

Свойства среды определяет диэлектрическая проницаемость среды ε.

Границы применимости закона Кулона:

• для точечных зарядов
• для неподвижных зарядов
• справедлив до расстояний не меньше 10 -15 м

Опыт Мандельштама и Папалекси

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 e_э к значению массы электрона m_э:

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

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.

2 вариант

1. Трем парам одинаковых бумажных цилиндриков сообщены за­ряды. В какой паре цилиндрики оттолкнутся друг от друга?

1) №1
2) №2
3) №3

2. Слева висящие шарики наэлектризованы и взаимодейству­ют с правыми заряженными шариками так, как показано на рисунке. Какой из правых шаров заряжен положительно?

1) №1
2) №2
3) №3

3. Какое явление положено в основу действия электрометра? Что показывает этот физический прибор?

1) Взаимодействие электрических зарядов; есть ли на теле, которым касаются его стержня, заряд и какова его относи­тельная величина
2) На отталкивании друг от друга отрицательных зарядов; какого знака заряд находится на наэлектризованном теле
3) На отталкивании друг от друга положительных зарядов; относительную величину зарядов на телах

4. Незаряженных электроскопов касаются наэлектризованными так, как показано на рисунке, палочками. Как оказался заря­женным электроскоп №1? электроскоп №2?

1) №1 — отрицательно; №2 — положительно
2) №1 — положительно; №2 — отрицательно
3) №1 и №2 — отрицательно
4) №1 и №2 — положительно

5. Заряженных электроскопов (положение их листочков обозначено на рисунке пунктиром) касаются наэлектри­зованными палочками, в результате чего их листочки расположились иначе. Какой электроскоп был заряжен положи­тельно?

1) №1
2) №2
3) №3

6. Какое из этих веществ — проводник электричества?

1) Резина
2) Серебро
3) Шелк

7. В каких единицах измеряют электрический заряд?

1) Ваттах (Вт)
2) Джоулях (Дж)
3) Кулонах (Кл)

8. Какие частицы заключены в ядре атома?

1) Протоны и электроны
2) Протоны и нейтроны
3) Нейтроны и электроны

9. В атоме находится 19 частиц, причем протонов в его ядре 6. Сколько в нем электронов и нейтронов?

1) 6; 7
2) 7; 6
3) 6; 6

10. При наличии 8 протонов в ядре каждого из трех атомов одного и того же вещества оказалось, что в первом из них 9 электро­нов, во втором — 8, в третьем — 7 электронов. Какой атом стал отрицательным ионом?

1) Первый
2) Второй
3) Третий

11. Почему металлы — хорошие проводники электричества?

1) Потому что в узлах их кристаллических решеток расположены ионы
2) Потому что в них есть свободные электроны
3) Потому что в атомах металлов много электронов

12. При каком условии в проводнике возникает электрический ток?

1) Если в нем создано электрическое поле
2) Если в нем много заряженных частиц
3) Если частицы с электрическим зарядом приходят в движе­ние

13. За счет какой энергии положительные и отрицательные заря­ды разделяются в гальваническом элементе?

1) Механической
2) Внутренней
3) Энергии химических реакций

14. Что такое схема электрической цепи?

1) Рисунок, на котором условно обозначены электроприборы
2) Чертеж, на котором с помощью условных обозначений по­казаны соединения всех составных частей цепи
3) Чертеж, показывающий, как соединены между собой про­водниками потребители тока

15. Укажите, каким из этих условных обозначений изображают замыкающее цепь устройство.

1) №1
2) №2
3) №3

16. Электрическая цепь состоит из аккумулятора, звонка и ключа. Какая из представленных здесь схем ей соответствует?

1) №1
2) №2
3) №3

17. Движение каких заряженных частиц образует электрический ток в металлах? в проводящих растворах?

1) Электронов; ионов
2) Положительных ионов; отрицательных ионов
3) Ядер атомов; любых ионов

18. Чем вызван выбор в качестве направления электрического тока направление от положительного полюса источника тока к отрицательному, т.е. противоположное действительному пе­ремещению заряженных частиц (электронов) в обычных (ме­таллических) проводниках?

1) Историческим фактом: незнанием в то время, когда делал­ся этот выбор, природы электрического тока
2) Удобством нахождения этого направления
3) Неизвестно

19. Какое действие электрического тока не проявляется в ме­таллах?

1) Магнитное
2) Химическое
3) Тепловое

20. Какой прибор предназначен для обнаружения в цепи электри­ческого тока? Какое действие тока использовано в его устрой­стве?

1) Гальванический элемент; химическое
2) Электрометр; магнитное
3) Гальванометр; магнитное

Ответы на тест по физике Электрические заряды и электрический ток1 вариант
1-3
2-1
3-1
4-2
5-3
6-2
7-3
8-1
9-2
10-1
11-3
12-3
13-1
14-3
15-2
16-2
17-1
18-1
19-3
20-32 вариант
1-3
2-1
3-1
4-2
5-3
6-2
7-3
8-2
9-1
10-1
11-2
12-1
13-3
14-2
15-2
16-3
17-1
18-1
19-2
20-3

Подписи к слайдам:

О пользе и вреде электризации Николаева О.И.

«Что может быть не понятного для ума, чем история небольшого кусочка янтаря, столь покорно проявляющего силу, которая скрыта во всей природе, которая быть может и есть вся природа…» Поль Валери

1. Стекло при трении о шелк заряжается: а)положительно б) отрицательно. 2. Если наэлектризованное тело отталкивается от эбонитовой палочки, потертой о мех, то оно заряжено: а) положительно; б) отрицательно. 3. Три пары легких шариков подвешены па нитях. Какая пара шариков не заряжена? 1; 2; 3. 4. Какая пара шариков (см. тот же рисунок) имеет одноименные заряды? 1; 2; 3. 5. Какая пара шариков (см. тот же рисунок) имеет разноименные заряды? 1; 2; 3.

На автомобильных заводах, для лучшей покраски используют электризацию. Корпус автомобиля заряжают положительно, а частички краски отрицательно. Происходит взаимодействие и равномерная окраска

Сильные электрические поля используют в медицине. Для повышения устойчивости аэрозолей и лучшего проникновения их в ткани организма с помощью специальных аппаратов частицам аэрозолей придают электрический заряд. Электрический заряд способствует лучшему осаждению частиц на ткани и более глубокому проникновению в них лекарственного вещества.

Электрокопчение. Рыбу зарядили положительно, дым отрицательно. Копчение происходит за несколько минут.

Все машины из-за пыли быстрее изнашиваются. Газ в трубе электризуется, заряжает частички пыли, пыль оседает на стенках трубы. Периодически трубу встряхивают, и зола падает в специальный бункер. Происходит очищение промышленного дыма.

При трении о воздух электризуется самолёт. Если сразу подвести трап, может произойти сильный разряд. Возможен пожар. Вначале с самолёта спускают металлический трос, для снятия излишнего заряда. Происходит разрядка самолёта при взаимодействии троса с землёй.

Во время перевозки и при переливании бензин электризуется, может возникнуть искра, и бензин вспыхнет. Чтобы этого не произошло, обе цистерны и соединяющий их трубопровод заземляют

На целлюлозно-бумажных комбинатах часто обрываются быстродвигающееся бумажные ленты. Причина — электризация ленты при трении о валики. Такая электризация очень опасна. Она может вызвать пожар. В текстильной промышленности электризация волокон вызывает их взаимное отталкивание, что мешает работе ткацких станков. Заряженную ткань трудно кроить. Она сильно загрязняется пылью.

А не вредят ли нам, электризованные тела? Влияние его на организм человека также изучается. В результате исследований было установлено, что электризация не вызывает заметных физиологических сдвигов в организме человека даже при длительном воздействии. Электризация синтетического белья, возникающая во время носки, оказывается даже полезной. Например, известно, что поливинилхлоридное белье помогает при лечении некоторых болезней. Отрицательные частицы воздуха благоприятно влияют на наш организм: они создают хорошее самочувствие и настроение и являются профилактикой простудных и сердечно сосудистых заболеваний. Воздух в горах, в сосновом лесу или у водопада насыщен отрицательными частицами. Если человек устал или болен, на нем накапливается положительный заряд и вызывает плохое самочувствие. Коты и кошки помогают снять положительный заряд, т.к. их шерсть заряжена отрицательно.

Виды токов

Потоки электронов, имеющиеся в проводящих материалах, могут двигаться всё время в одну сторону либо постоянно менять своё направление. В первом случае они формируют переменный, а во втором – постоянный токи.

Электрическое поле – это?

Переменные потоки образуются под воздействием меняющихся по своей величине и знаку напряжений, прикладываемых к концам проводника, а для получения постоянного токового сигнала используется разность потенциалов одной полярности.

Обратите внимание! Меняющиеся токи протекают по электропроводке любой квартиры, а примером второй разновидности может служить однонаправленное движение электронов в аккумуляторах или батарейках. Исторически сложилось так, что в цепи постоянного потока за его направление принято считать движение от «плюса» источника питания к его «минусу»

Хотя в действительности носители отрицательного заряда перемещаются в прямо противоположном направлении (от «минуса» к «плюсу»). Но принятое ранее условное направление настолько закрепилось в сознании людей, что его оставили неизменным, полагая абсолютно условным значение этого параметра

Исторически сложилось так, что в цепи постоянного потока за его направление принято считать движение от «плюса» источника питания к его «минусу». Хотя в действительности носители отрицательного заряда перемещаются в прямо противоположном направлении (от «минуса» к «плюсу»). Но принятое ранее условное направление настолько закрепилось в сознании людей, что его оставили неизменным, полагая абсолютно условным значение этого параметра.

Постоянный ток

Для того чтобы разобраться с тем, куда текут переменные токи, следует отталкиваться непосредственно от их определения. В этой ситуации под воздействием переменного потенциала (напряжения) они меняют своё направление с определённой периодичностью.

Важно! В российских бытовых сетях переменное напряжение имеет частоту 50 Герц. С соответствующей периодичностью меняет своё направление и текущий по электропроводке ток

В зарубежных электрических сетях (в США и Японии, в частности) данная частота составляет 60 Герц, что несколько повышает эффективность с одновременным возрастанием потерь в питающих линиях.

Переменный ток (график)

Проводимость металлов

Как уже отмечалось в прошлой главе, металлы являются самой распространенной средой, проводящей электрический ток. И носителями зарядов являются свободные электроны. В связи с этим существует особая терминология, в соответствии с которой проводимость металлов называется электронной проводимостью, а сами электроны металла – электронами проводимости. Этот факт ни в коей мере не постулировался, а был проверен и доказан независимо многими учеными разными методами. Например, немецкий физик Карл Рикке проводил опыт по пропусканию тока в 0,1 А в течении года через три отполированных цилиндра: одного алюминиевого и двух медных. По истечению эксперимента (а за это время по цепи прошел огромный заряд в ) никаких изменений в структуре цилиндров не произошло, за исключением небольшой диффузии (рис. 1). А если бы носителями заряда были не электроны, а ионы, то тогда был бы перенос вещества одного цилиндра в вещество другого, и, конечно же, в результате столь длительного эксперимента, химическое строение цилиндров изменилось бы.

Рис. 1. Схема опыта Рикке

Еще одним опытом по подтверждению электронной проводимости металлов стал опыт 1912 года российских ученых Мангельштама и Папалекси, спустя небольшое время проведенный также англичанами Стюартом и Толменом. В ходе этого опыта катушка с большим количеством витков быстро вращалась, а затем резко тормозилась. В результате чего замкнутый вместе с ней в цепь гальванометр показывал наличие небольшого тока (рис. 2).

Рис. 2. Схема опыта Мангельштама-Папалекси

Дело в том, что вместе с раскручиваемой катушкой вращаются, конечно же, и находящиеся в металле электроны. Когда же катушка тормозится, электроны некоторое время продолжают двигаться внутри катушки по инерции, производя таким образом ток.

Сверхпроводимость

Определение. Сверхпроводимость – явление, когда сопротивление проводника становится близким к нулю.

Открытию явления сверхпроводимости предшествовало получение в 1908 году голландцем Камерлингом Оннесом (рис. 4) жидкого гелия. Помещая образец проводника в жидкий гелий, стало возможным наблюдать поведение проводников при сверхнизких температурах (близко к 0 ). И в 1911 году Оннес установил, что ртуть при температуре около 4 К резко приобретает сопротивление, равное нулю.

Рис. 4. Камерлинг Оннес (Источник)

Его опытам с ртутью предшествовали опыты с платиной, в результате которых он установил, что чем чище вещество (чем меньше в нем примесей), тем быстрее уменьшается его сопротивление с уменьшением температуры. Благодаря жидкому состоянию ртути при нормальных условиях, этот металл очень легко было очистить от примесей. И была установлена следующая зависимость удельного сопротивления ртути от низких температур: линейное снижение прерывается скачком к нулю (рис. 5):

Рис. 5.

Явление сверхпроводимости объясняется с точки зрения квантовой физики.

Поляризация диэлектрика

Давайте возьмем два, на первый взгляд, одинаковых задания из ЕГЭ.

Задание 1

Если к незаряженному металлическому шару поднести, не касаясь, точечный положительный заряд, то на стороне шара, ближайшей к заряду, появится отрицательный заряд. Как называется это явление?

Мы только что это разобрали: это электростатическая индукция.

Задание 2

Если к незаряженному диэлектрическому шару поднести, не касаясь, точечный положительный заряд, то на стороне шара, ближайшей к заряду, появится отрицательный заряд. Как называется это явление?

Кажется, что очень похоже на электростатическую индукцию, но это явление будет называться поляризация. В чем разница:

В первом случае — это проводник, а во втором — диэлектрик. Если не вдаваться в подробности, то поляризация диэлектрика — процесс, очень похожий по природе своей на электростатическую индукцию, только происходит в непроводящих материалах.

Структура металлов

На предыдущих уроках мы изучили практически все понятия, связанные с возникновением электрического тока: электрические заряды, электрическое поле, источники тока, простейшие электрические цепи и электрические схемы. Теперь нам предстоит выяснить, как течёт электрический ток в металлах, какие действия оказывает электрический ток, а также направление тока.

Металлы, как мы выяснили из экспериментов на предыдущих уроках, хорошо проводят электрический ток. Для того чтобы пояснить этот факт, зададимся вопросом: а что же такое металлы?

Металлы, как правило, – это поликристаллические вещества (состоящие из множества кристаллов) (Рис. 1, 2).

Рис. 1. Металлы (

)

Рис. 2. Структура железа ()

Польза и вред электризации

ДОН

Статическое электричество
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(Перенаправлено с Электризация) Текущая версия (не проверялась) Перейти к: навигация, поиск
Статическое электричество — явление, при котором на поверхности и в объёме диэлектриков, проводников и полупроводников возникает и накапливается свободный электрический заряд.
Статическое электричество — совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности или в объеме диэлектриков или на изолированных проводниках. (ГОСТ 12.1.018-93 «Пожаровзрывобезопасность статического электричества» )
Происхождение
Электризация диэлектриков трением может возникнуть при соприкосновении двух разнородных веществ из-за различия атомных и молекулярных сил (из-за различия работы выхода электрона из материалов) . При этом происходит перераспределение электронов (в жидкостях и газах ещё и ионов) с образованием на соприкасающихся поверхностях электрических слоёв с противоположными знаками электрических зарядов. Фактически атомы и молекулы одного вещества отрывают электроны от другого вещества.
Полученная разность потенциалов соприкасающихся поверхностей зависит от ряда факторов – диэлектрических свойств материалов, значения их взаимного давления при соприкосновении, влажности и температуры поверхностей этих тел, климатических условий. При последующем разделении этих тел каждое из них сохраняет свой электрический заряд, а с увеличением расстояния между ними за счет совершаемой работы по разделению зарядов, разность потенциалов возрастает и может достигнуть десятков и сотен киловольт.
Электрические разряды могут взаимно нейтрализовываться вследствие некоторой электропроводности влажного воздуха. При влажности воздуха более 85% статическое электричество практически не возникает.
Молнии
В результате движения воздушных потоков, насыщенных водяными парами, образуются грозовые облака, являющиеся носителями статического электричества. Электрические разряды образуются между разноименными заряженными облаками или, чаще, между заряженным облаком и землей. При достижении определенной разности потенциалов происходит разряд молнии между облаками или на земле. Для защиты от молний устанавливаются молниеотводы, проводящие разряд напрямую в землю.
Помимо молний, грозовые облака могут вызывать на изолированных металлических предметах опасные электрические потенциалы из-за электростатической индукции.

Юрий Цыбанков

вред
в природе — молнии
в быту — испорченная причёска из-за наэлектризованной расчёски
в технике — опасность пожара
польза
в технике — например печать лазерных принтеров

Недостатки электронной теории проводимости

Несмотря на то, что электронной теории проводимости металлов объяснила ряд явлений, она имеет и свои недостатки.

1. Из теории следовало, что удельное сопротивление должно быть пропорционально корню квадратному из температуры (\(~\rho \sim \sqrt T\)), между тем, согласно опыту, ρ ~ Т.
2. Для того чтобы получить значения удельной электрической проводимости металла, полученных из опыта, приходится принимать среднюю длину свободного пробега электронов в сотни раз большей, чем период решетки металла. Иными словами, электрон должен проходит без соударений с ионами решетки сотни атомов.
3. Данная теория не смогла объяснить причину сверхпроводимости.

Приведенные выше недостатки указывают на то, что классическая электронная теория, представляя электрон как материальную точку, подчиняющуюся законам классической механики, не учитывала некоторых специфических свойств самого электрона, которые еще не были известны к началу XX века. Эти свойства были установлены позднее при изучении строения атома, и в 1924 г. была создана новая, так называемая квантовая или волновая механика движения электронов.

Потенциальный барьер. Движение электронов в кристаллической решетке

Определение 2

После взаимодействия электронов с ионами первые покидают металл, преодолевая только потенциальный барьер.

Высота такого барьера получила название работы выхода.

Наличие комнатной температуры не позволяет электронам проходить этот барьер. Потенциальная энергия выхода электрона после взаимодействия с кристаллической решеткой намного меньше, чем при удалении электрона из проводника.

Определение 3

Расположение е в проводнике характеризуется наличием потенциальной ямы, глубина которой получила название потенциального барьера.

Ионы, образующие решетку, и электроны принимают участие в тепловом движении. Благодаря тепловым колебаниям ионов вблизи положений равновесий и хаотичному движению свободных электронов, при столкновении первых со вторыми происходит усиление термодинамического равновесия между электронами и решеткой.

Теорема 1

По теории Друде-Лоренца имеем, что электроны имеют такую же среднюю энергию теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это делает возможным оценивание средней скорости υт¯ теплового движения электронов, используя молекулярно-кинетическую теорию.

Комнатная температура дает значение, равное 105 мс.

Если наложить внешнее электрическое поле в металлический проводник, тогда произойдет тепловое упорядоченное движения электронов (электрический ток), то есть дрейф. Определение средней его скорости υд¯ выполняется по интервалу имеющегося времени ∆t через поперечное сечение S проводника электронов, которые находятся в объеме Sυд∆t.

Количество таких е равняется nSυд∆t, где n принимает значение средней концентрации свободных электронов, равняющейся числу атомов в единице объема металлического проводника. За имеющееся количество времени ∆t через сечение проводника проходит заряд ∆q=enSυд∆t.

Тогда I=∆q∆t=enSυд или υд=IenS.

Концентрация n атомов в металлах находится в пределах 1028-1029м-3.

Формула дает возможность оценить среднюю скорость υд¯ упорядоченного движения электронов со значением в промежутке ,6-6 ммс для проводника с сечением 1 мм2 и проходящим током в 10 А.

Определение 4

Средняя скорость υд¯ упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше скорости υт их теплового движения υд≪υт.

Нужна помощь преподавателя?
Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Рисунок 1.12.3 демонстрирует характер движения свободного е, находящегося в кристаллической решетке.

Рисунок 1.12.3. Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа υд¯∆t сильно преувеличены.

Наличие малой скорости дрейфа не соответствует опыту, когда ток всей цепи постоянного тока устанавливается мгновенно. Замыкание производится при помощи воздействия электрического поля со скоростью c=3·108 мс. По прошествии времени lc (l – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля. В ней происходит упорядоченное движение электронов.

Классическая электронная теория металлов предполагает, что их движение подчинено законам механики Ньютона. Данная теория характеризуется тем, что происходит пренебрежение взаимодействием электронов между собой, а взаимодействие с положительными ионами расценивается как соударения, при каждом из которых e сообщает накопленную энергию решетке. Поэтому принято считать, что после соударения движение электрона характеризуется нулевой дрейфовой скоростью.

Абсолютно все выше предложенные допущения приближенные. Это дает возможность объяснения законов электрического тока в металлических проводниках, основываясь на электронной классической теории.

Применение свойств электрического тока в металлах

Имеет отношение к следующим отраслям:

1. Передача электроэнергии от источника к потребителям.
2. Электродвигатели.
3. Нагревательные приборы всех типов, предназначенных для промышленности и домашнего использования: спирали для ламп освещения, нагревательные спирали тэнов (обогреватели, чайники и т.д.).
4. Получение сильных магнитных полей (МРТ, электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в ускорителях для ракет и генераторов).
5. Электроизмерительные приборы: амперметры, вольтметры, электрические счетчики и др.
6. В металлургии:

• гальваностегия — электрохимический процесс покрытия одних металлов другими, более устойчивыми к коррозии: золочение, серебрение, никелирование и т. д. Ис­пользуется также для придания изделиям декоративного вида;
• гальванопластика — получение металлических копий с рельефов. Гипсовый оттиск рельефа покрывают слоем графита и погружают в электролит — раствор соли металла, который осаждается на оттиске, как на катоде. После удаления гипса получается металлическая копия рельефа;
• электролитическое рафинирование позволяет очищать цветные металлы от примесей.

Опыт Рикке

Возникает логичный вопрос: а не изменяется ли проводник из-за того, что из него «ушли» электроны? Опыт по подтверждению того, что все электроны одинаковые, был проведён немецким учёным Рикке (Рис. 4) тогда, когда на трамвайных линиях использовали три разных проводника: алюминиевый и два медных.

Рис. 4. Карл Виктор Рикке (

)

Рикке в течение года наблюдал за последовательным соединением трёх проводников: медь + алюминий + медь. Поскольку ток в трамвайных линиях течёт довольно большой, то эксперимент позволял дать однозначный ответ: одинаковы ли электроны, которые являются носителями отрицательного заряда в разных проводниках.

За год масса проводников не изменилась, диффузии не произошло, то есть структура проводников осталась неизменной. Из этого следовал вывод, что электроны могут переходить из одного проводника в другой, но структура их при этом не изменится.

Электрификация трением

Электрификация трением состоит из трения одного материала о другой, таким образом, один из них захватывает или отдает электроны, оставляя оба с определенным общим зарядом.

Электроны, хотя и прикреплены к ядру атома, состоящему из протонов и нейтронов, обладают хорошей подвижностью, а в некоторых случаях самые удаленные из них могут даже отсоединяться. Конечно, для этого вам придется проделать объем работы, который будет зависеть от характера материала.

Расчесывание волос пластиковой расческой высвобождает электроны из волос и попадает в пластик, оставляя его с избытком.

Мы также можем попробовать натереть стеклянные или эбонитовые бруски шелковой тканью. Электроны выходят из стекла и переходят на шелк, который легко принимает их.

Теперь, подойдя к двум стеклянным стержням, натертым шелковой тканью, можно заметить, чтоони отталкивают. С другой стороны, протерев эбонитовый или пластиковый брусок кроличьей шерсти и поднося поближе стеклянный, натертый шелком, мы видим, чтоони привлекают.

То же самое происходит и с другими материалами: одни притягиваются друг к другу после трения, а другие отталкиваются. В любом случае это связано с избытком или дефектом электронов.

Это означает, что существует два вида электрического заряда. Когда два тела имеют разные типы заряда, они притягиваются. Но если они одного типа, они отталкивают друг друга.

Бенджамин Франклин (1706-1790) провел много таких экспериментов и предложил имя положительное электричество который приобретает стекло, натертое шелком, а другой вид груза был переименован отрицательное электричество.

Сталь и латунь

Сталь представляет собой сплав железа, который также является проводником, и является негибким металлом, который сильно корродирует при воздействии воздуха. Его трудно отливать, поэтому сталь редко используется в небольших устройствах или механизмах; вместо этого сталь применяется для герметизации других проводников или для создания большой конструкции. Латунь, которая также является сплавом, представляет собой растягивающийся металл, который позволяет легко изгибать созданные структуры. Он менее коррозионный, чем сталь, он проводящий, но не очень эффективный проводник, и он дешевле.

Источник

Почему металлы хорошие проводники

Ведь все заряженные частицы являются частью атомов вещества. Дело в том, что в металлах в процессе образования кристаллической решетки атомы вещества сильно взаимодействуют друг с другом, следствием чего является потеря электронами связи с ядрами своих атомов.

Они остаются связанными только с самой формой вещества, не имея возможности покинуть его границы, но свободно перемещающимися внутри кристаллической решетки в любых направлениях.

Такая особенность металлов дает возможность существования электрического тока внутри проводника, а также обусловливает еще одно интересное свойство металлов, на котором стоит остановиться подробнее.

При наличии внешнего электростатического поля напряженность поля внутри проводника равна нулю. Это происходит вследствие свойства электростатической индукции.