Что такое свободные электроны

СВОБОДНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ

металле, как и во всех твёрдых телах, каждый атом занимает определённое место. Правда, при некоторых условиях атомы твёрдых тел могут покидать свои места, но во всяком случае они долгое время остаются «привя­занными» к определённому месту. В зависимости от тем­пературы каждый атом более или менее сильно колеб­лется около этого места, не удаляясь от него сколько – нибудь далеко. В отличие от других твёрдых тел металлы обладают одной интересной особенностью: в пространстве между атомами металлов движутся свободные электроны, то-есть электроны, не связанные с определёнными атомами.

Откуда берутся такие свободные электроны?

Дело в том, что в атомах не все электроны одинаково прочно удерживаются ядром. В электронных оболочках атомов металлов всегда есть один, два или три электрона, очень слабо связанных с ядром. Поэтому, например, при растворении различных солей входящие в их состав атомы металлов легко отдают эти электроны другим ато­мам, а сами превращаются в положительные ионы. Отрыв электронов от атомов происходит и в куске любого ме­талла, но все электроны, утерявшие связь с атомами, остаются в самом металле между образовавшимися ионами.

Число свободных электронов в металле огромно. Их примерно столько же, сколько атомов. Тем не менее весь кусок металла остаётся, конечно, незаряженным, так как положительный заряд всех ионов в точности равен отри­цательному заряду всех электронов.

Таким образом, строение металла мы может себе представить в таком виде. Атомы металла, потерявшие по 1—2 электрона, стали ионами. Они сравнительно прочно сидят на своих местах и образуют, можно сказать, жёсткий «скелет» куска металла. Между ионами быстро движутся по всем направлениям электроны. Некоторые из электронов при движении тормозятся, другие ускоря­ются, так что среди них всегда есть и быстрые и мед­ленные.

Движение свободных электронов вполне беспорядочно. Нельзя уловить в нём никаких струек или потоков, ника­кой согласованности. Свободные электроны движутся в металле приблизительно так, как мечутся мошки в тёп­лом воздухе летним вечером: в рое каждая из мошек ле­тает сама по себе то быстрее, то медленнее, а весь рой стоит на месте.

Среди беспорядочно движущихся электронов всегда есть такие, которые летят по направлению к поверхности металла. Будут ли они вылетать из металла? Ведь если оставить открытым сосуд с газом, молекулы которого также находятся в беспорядочном движении, как и электроны в металле, то молекулы газа быстро рассеются в воздухе. Однако электроны в обычных условиях не вы­летают из металла. Что же их удерживает? Притяжение ионами. Когда электрон поднимается немного над по­верхностью металла, над ним уже нет ионов, а внизу, на поверхности, есть. Эти ионы притягивают поднявшийся электрон, и он падает обратно на поверхность металла, как падает на землю брошенный вверх камень.

Если бы камень имел достаточно большую началь­ную скорость, он мог бы преодолеть притяжение Земли и

Рис. 7. Вырванные из раскалённого катода электроны устремляются к аноду только тогда, когда анод заряжен положительно.

Улететь в межпланетное пространство, как улетает пу­шечное ядро в романе Жюль Верна. Очень быстрые элек­троны тоже могут преодолеть силы электрического притя­жения и покинуть металл. Это и происходит при нагре­вании.

При нагревании металла усиливается движение не только атомов, но и электронов, и при высокой темпера­туре из металла вылетает столько электронов, что их поток можно обнаружить. Посмотрите на рис. 7. На нём изображена необычная электрическая лампочка. В её баллоне на некотором расстоянии от нити накала укреп­лена металлическая пластинка. Пластинка называется анодом, а нить — катодом. К одному концу нити (всё равно к какому) и к аноду присоединена батарея, а между батареей и анодом в так называемую «анодную» цепь включён прибор, показывающий наличие электрического тока. Прибор этот называется гальванометром. Сама нить лампы включена в электрическую сеть и раскалена. Если анод соединён с отрицательным полюсом батареи, а нить с положительным, то тока в анодной цепи не будет (рис. 7 слева). Теперь попробуем поменять полюсы и присоеди­ним пластинку к «плюсу» батареи. В цепи сейчас же появится ток (рис. 7 справа). Этот опыт показывает, что раскалённая нить лампы действительно испускает отри­цательные заряды — электроны, которые отталкиваются от анода, если он заряжен отрицательно (рис. 7 слева), и увлекаются электрическими силами к аноду, если он присоединён к положительному полюсу батареи (рис. 7 справа).

Испускание электронов накалёнными металлами имеет огромное практическое значение. Достаточно сказать, что оно используется во всех радиолампах (о радиолампах мы ещё будем говорить в последнем разделе книжки).

Увеличить энергию электронов и заставить их выле­тать из металла можно не только нагреванием, но и освещением. Такие явления изучил в 1888 году русский физик, профессор Московского университета А. Г. Сто­летов. Поток световых лучей несёт энергию, и если свет падает на металл, то часть этой энергии поглощается ме­таллом и передаётся электронам. Получив добавочную энергию, некоторые электроны преодолевают притяжение ионов и вылетают из металла. Это явление называется фотоэлектрическим эффектом. Фотоэффект используется в очень важном для техники приборе — фотоэлементе. Схема фотоэлемента показана на рисунке 8.

Стеклянный баллон, из которого удалён воздух, по­крыт изнутри слоем металла, обычно натрия, калия или цезия, подвергнутого особой обработке (из этих металлов электроны легко вырываются при действии видимого света); не покрыто металлом только небольшое окошечко для пропускания света. Слой металла служит катодом фотоэлемента (фотокатодом). В середине баллона поме­щается или тонкая металлическая проволочка или сетка. Это — анод. Фотокатод соединяется с отрицательным по­люсом батареи, а анод — с положительным. Как только на фотокатод упадут световые лучи, некоторые электроны приобретают большую энергию и вырываются с его по­верхности. Сила электрического притяжения гонит их к аноду, и в цепи появляется ток. Если же освещение пре­кращается, ток исчезает[1]). Заметим, что обоими описан­ными способами удается извлекать из металлов только очень небольшую часть имеющихся в них свободных электронов.

Рис. 8. Схема действия фотоэлемента.

Легко понять, что электризация трением представляет собой процесс вырывания электронов. Так, например, при трении стекла о кожу электроны, извлечённые из стекла, переходят на кожу.

Итак, мы знаем, что электроны можно извлечь из ато­мов. Посмотрим теперь, как можно управлять электро­нами, покинувшими атомы.

Что такое свободные электроны

В качестве экспериментального доказательства существования носителей электрического тока в металлах служат опыты Мандельштама-Папалекси и Стюарта-Толмена, проведенные в начале 20-го века. (1913) В них катушка с обмоткой приводится во вращение с последующим резким торможением.

Присоединенный к обмотке гальванометр в течение короткого промежутка времени показывает наличие электрического тока именно в момент торможения на доли секунды.

При этом утверждается наличие в проводнике (в данном случае в обмотке катушки) свободных электронов (отрицательно заряженных частиц). Эти свободные электроны именуются «электронным газом». Свободные электроны, якобы обладая инерционными свойствами, вызывают электрический ток. Направление тока при этом (как объясняется) показывает, что он вызван движением отрицательно заряженных частиц, т.е. электронов. Таким образом, направление тока выбрано обратным направлению движения электронов. Что уже вызывает недоумение в сязи с тем, что носители энергии обладающие массой движутся в одну сторону, а сама энергия в другую.

Короче эффект толпы пассажиров летящей в начало автобуса при торможении.

Опыт проведен недостаточно корректно и может быть истолкован на основе современных знаний, совершенно по-другому и вот по каким причинам:

Не было проведено исследование: возникает ли электрический ток при таком же быстром как при торможении раскручивании катушки.

Скорее всего – возникает и можно предположить, другого направления.

Что не было проделано в опыте.

Но что-то происходит с длиной проводника в момент торможения или разгона. Она явно деформируется

Трудно предполагать наличие «газа» в твердом веществе, хотя бы и с приставкой «квази» или «псевдо», который, как по трубам, да еще без плотных стенок, спокойно перетекает из проводника в проводник. То есть пресловутые электроны должны по идее сначала вылетать в менее плотную среду, там сопротивление меньше, а не стремиться остаться в проводнике. Все как в автобусе или автомобиле через лобовое стекло наружу, батенька! Или через руль велосипеда, будьте добры, пожалуйста на выход.

Плюс ко всему воздух более или менее проводящая среда, поэтому о работе выхода электрона по Эйнштейну и речи быть не может, это уже отмечено в работе О классическом объяснении явления фотоэффекта . Не говоря уже о более проводящих средах, которые могут окружать проводник. Даже в линиях электропередачи утечка тока настолько большая, что не упомянуть об этом нельзя, трещит, знаете ли, в воздухе, а на хороший штырь и искру поймать не долго, киловольты и не малые. И при этом утверждается, что самопроизвольное испускание электронов металлом при обычной температуре не наблюдается. Но теория сразу оговаривается, дескать не электроны это, а ионизация воздуха. Ну да бог с ним, допустим. Опять же, с понижением давления и увеличением разницы потенциалов следовало бы ожидать увеличения истечения тока в вакууме. Но опыт показывает, что этого нет, и ток наоборот сначала растет, а потом стабилизируется, примеров масса. Основной пример: вакуумный диод, катод, оказывается, греть надо или лампу проводящим газом заполнять. который опять – почему то ионизируется. А вот в диоде с подогревом катода уже электроны либо вылетают, либо вышибаются из холодного при фотоэффекте. Правда теоретическая физика, в том числе и квантовая до сих пор не определилась что такое ионизация, то ли приобретение или потеря лишнего заряда, то ли переход атома на новый энергетический уровень, при котором электроны меняют орбиты.

Напрочь забывается, что нагретый до свечения катод интенсивно испаряет свой материал, очень даже неплохо проводящий. Да и свечение само – не излучение разве?

Теория движения «электронного» газа в плотной атомной среде, если б была создана, должна быть аналогична теории поведению струи воздуха в трубе набитой пенопластовыми шарами со своей «аэродинамикой», турбулентностью и т.п. Что-то нет такой теории.

Напротив все говорит о том что это не электроны а излучение, поскольку как и у света есть явление дифракции.

Высокая скорость нарастания тока в цепи объясняется наличием электрического поля, распространяющегося со скоростью света, а скорость электронного газа чуть ли не сантиметрами в секунду. Несопоставимые скорости. И при этом приводится аналогия с движением газа в трубе, где давление распространяется со скоростью звука в газе, а сам газ со скоростью несколько метров в секунду. Но тогда полной величины ток бы достигал за астрономическое время, так как скорость «электронного газа» архи мала по сравнению с ростом его «давления». Разность потенциалов действительно возникает практически мгновенно, но не сила тока. Миллион проблем с описанием поведения в твердом теле – газа. Небольшая аналогия: это все равно, что ветер в лесу! Не проходит.

Еще одна причина, не позволяющая представить электронный газ в качестве носителя даже в отсутствии сильного сопротивления среды, состоящей из атомов, это явление «толпы» в узких местах, от толстого проводника к тонкому. Такие места должны больше нагреваться! Однако этого мы не наблюдаем на опыте. Проводники (однородные вставки) нагреваются по всей их длине равномерно при прохождении электрического тока. Лампочка. Места контактов нити не греются больше самой нити.

Третья причина. Направление тока выбрано неудачно с точки зрения направления передачи энергии. Если это электроны являются ее носителем, значит и направление тока должно совпадать с направлением передачи энергии, то есть от большего к меньшему: от плюса (+) к минусу (-). Все это потому что не нести с собой энергии такие электроны не могут. А так, как принято, просто нелогично. И мало того, следствием этого вроде безобидного решения и стали многие теоретические тупики в физике. Сегодня ток течет от минуса к плюсу, именно благодаря таким экспериментам.

Ничем не объясняется наличие свободных электронов у атомов. Есть только гипотеза обобществления электронов – коммунизм какой-то в физике. Почему не всех, а именно крайних? По каким законам они вдруг слетают со своих орбит и летают, где хотят? Почему только в проводниках их много, а в диэлектриках мало? А пробой диэлектрика? И еще много почему…

Предполагаемое существование «свободных электронов» приводит к странному возникновению положительных и отрицательных носителей тока, тем более положительных, которые навязываются и автоматически приводят к появлению «дырок», «ионов», тут уже не физика одна страдает, а и химия. Вводится понятие движения пустого пространств в виде этих «дырок», еще и несущих несуществующую ОТРИЦАТЕЛЬНУЮ энергию. Вот до какого бреда докатились. Такого рода абстракции никак не ведут к глубокому пониманию процессов передачи энергии, а лишь тормозят дальнейшее развитие физики вообще!

Одним из множества негативных результатов введения понятия «свободных электронов» является невероятное, да и нелогичное различие в описании процессов прохождения электрического тока и переноса массы под его действием в различных средах, особенно в жидкостях и газах.

Невозможность качественного объяснения особенно таких эффектов, как трибоэлектричество, и все что связано с пьезоэлектрическими явлениями, да и массы прочих.

Во времена открытия Менделеевым периодического закона электронов вообще не было. Следовательно, попытка вообще введения электрона (и всяческих распределений электронов по уровням) как части атома ответственной за основные физические и химические его свойства является результатом теоретического подгона к таблице, И совершено это было от безвыходности положения под давлением груза предрассудков и частично от неправильности толкования результатов экспериментов. Мы это покажем на примере распределения плотности химических элементов вещества от атомного веса, ее связи с такими его основными свойствами как электропроводность, температура плавления и кипения, теплопроводность, никак не зависящими от электронного строения атома. См. Плотность.

Признание гипотезы срыва электрона с орбиты говорит об избыточной энергии некоторых атомов, способных присвоить часть энергии у других и сделать коллективное хозяйство. Хотя связанные в кристаллической решетке металла атомы УЖЕ! находятся в состоянии равновесия, и хоть один улетевший в неопределенном направлении электрон нарушает хотя бы атомный вес, что ведет к дисбалансу внутри атома и к перестройке связей в решетке. Да и в любой молекуле. Представим себе солнечную систему через объем которой (хоть и рядом с ней) даже изредка пролетают тела всего в 1840 раз меньшие по массе чем солнце. Атаз….. 1.989 10 30 кг/ 1850= 0,001 10 30 кг земля 5.976 10 24 кг ТРИ ПОРЯДКА ! Юпитер и то меньше. Что можно ожидать- а не конец ли света?

Да что-то и не заметно таких примеров из жизни, да и с такой моделью атома все плохо. По нескольку электронов на одном уровне (скажем энергетическом) это что, полет на одной орбите цугом, или на разных равноудаленных орбитах? И как потом не столкнуться, а это нам одинаковость зарядов запрещает, ага. И позволяет летать пришельцам.

Математически невозможно описать поведение таких электронов, не принимая принципов неопределенности. А неопределенность это роспись в собственном бессилии, в непонимании происходящего и попытка решить проблему неприемлемым способом, просто подогнать результат под желаемое.

Аналогия: улетел – прилетел Уран, солнечной системе по барабану. Украли доллар, да и Бог с ним! Есть вакансия, пустой карман – доллар скоро вернется обратно. А что в промежутке без куска хлеба, переживем, …есть «дырка» от бублика и она, эврика! – движется.

1. Наличие электрического тока при торможении катушки вызвано чисто механической причиной.

Точнее сказать – это явление до крайности похоже на явление пьезоэффекта: при торможении возникают силы, сжимающие провод в направлении торможения за счет его инерционности, что приводит к возникновению разницы потенциалов на его концах (и не только на концах в силу неравномерности кристаллической структуры металла) и кратковременному появлению электрического тока, что и регистрируется. Просто и никакой математики. Если тоже самое сделать с пьезоэлементом получим абсолютно такой же результат.

Более точно опыт можно поставить, используя, длинный металлический стержень, метнув его в стенку, пьезоэффект слабый, но факт налицо: чем чаще кидаем или даже просто бьем по нему, тем чаще импульсы тока. Если это пьезокристалл, наблюдаем то же явление, но лучше выраженное. И мало того начинаем это использовать в качестве эталона частоты. Плюс ко всему нагревание при ударах по всему объему – инфракрасное электромагнитное излучение и еще излучение звуковое, тоже имеющее электромагнитные корни. А еще излучения на других частотах, кто бы занялся…

И если пока глубоко не копать и не добавлять математики, это будет сделано несколько позже, такой электрический ток вызывается, а точнее разность потенциалов, прежде всего, с макроскопической точки зрения, механической деформацией проводника.

Но на самом низком атомном уровне это все те же электромагнитные взаимодействия.

2. Носителем электрического тока не может быть электрон, ни свободный – никакой. Вообще Гипотеза о существования электрона вызывает только недоумение. Частице с несопоставимой массой по сравнению с массой атома приписывают такие свойства, как будто это она обладает энергией, управляющей всеми физическими процессами.

Неприемлема и модель атома с непредсказуемым облаком электронов. Это слишком парадоксально. Если и есть у ядра атома спутники, то они должны двигаться по уже давно определенным законам, а не по теории вероятности, которая только и существует благодаря нашему невежеству. Атом несомненно имеет магнитное поле – магнит в той или иной степени. Кто будет отрицать. И атом, точнее ядро скорее всего вертится. А вы найдите в космосе хотя бы один естественный спутник, который бы не крутился и обращался вокруг своего ядра не в плоскости его экватора, не в плоскости эклиптики. Двигатель собственный нужен. Но об этом в других разделах.

Каковы же причины, вызывающие электрический ток на атомном уровне. Вполне определенно, что носителем не может быть электронный газ в проводниках. Большое сомнение естественно вызывает и представление тока в полупроводниках как совокупность совместных перемещений электронов и дырок, причем дырке присваивается энергия, да еще и текут они в разных направлениях. Еще непонятней ионная теория, никак не объясняющая тока в жидкостях и газах. К тому же логика подсказывает, что механизм передачи тока в любых веществах независимо от состояния должен быть единым.

Можно предположить, что за это ответственно электромагнитное излучение вполне определенной энергии, своего рода свет, для которого большинство материалов является относительно прозрачным при определенных условиях. Что это за излучение нам и предстоит выяснить…

Электрический ток в металлах

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: носители свободных электрических зарядов в металлах.

В этом листке мы приступаем к подробному изучению того, как осуществляется прохождение электрического тока в различных проводящих средах — твёрдых телах, жидкостях и газах.

Напомним, что необходимым условием возникновения тока является наличие в среде достаточно большого количества свободных зарядов, которые могут начать упорядоченное движение под действием электрического поля. Такие среды как раз и называются проводниками электрического тока.

Наиболее широко распространены металлические проводники. Поэтому начинаем мы с вопросов распространения электрического тока в металлах.

Мы много раз говорили о свободных электронах, которые являются носителями свободных зарядов в металлах. Вам хорошо известно, что электрический ток в металлическом проводнике образуется в результате направленного движения свободных электронов.

Свободные электроны

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическую структуру: расположение атомов в пространстве характеризуется периодической повторяемостью и образует геометрически правильный рисунок, называемый кристаллической решёткой.

Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, расположенных на внешней электронной оболочке. Эти валентные электроны слабо связаны с ядром, и атом легко может их потерять.

Когда атомы металла занимают места в кристаллической решётке, валентные электроны покидают свои оболочки — они становятся свободными и отправляются «гулять» по всему кристаллу (а именно, свободные электроны перемещаются по внешним орбиталям соседних атомов. Эти орбитали перекрываются друг с другом вследствие близкого расположения атомов в кристаллической решётке, так что свободные электроны оказываются «общей собственностью» всего кристалла). В узлах кристаллической решётки металла остаются положительные ионы, пространство между которыми заполнено «газом» свободных электронов (рис. 1 ).

Рис. 1. Свободные электроны

Свободные электроны и впрямь ведут себя подобно частицам газа (другой адекватный образ — электронное море, которое «омывает» кристаллическую решётку) — совершая тепловое движение, они хаотически снуют туда-сюда между ионами кристаллической решётки. Суммарный заряд свободных электронов равен по модулю и противоположен по знаку общему заряду положительных ионов, поэтому металлический проводник в целом оказывается электрически нейтральным.

Газ свободных электронов является «клеем», на котором держится вся кристаллическая структура проводника. Ведь положительные ионы отталкиваются друг от друга, так что кристаллическая решётка, распираемая изнутри мощными кулоновскими силами, могла бы разлететься в разные стороны. Однако в тоже самое время ионы металла притягиваются к обволакивающему их электронному газу и, как ни в чём не бывало, остаются на своих местах, совершая лишь тепловые колебания в узлах кристаллической решётки вблизи положений равновесия.

Что произойдёт, если металлический проводник включить в замкнутую цепь, содержащую источник тока? Свободные электроны продолжают совершать хаотическое тепловое движение, но теперь — под действием возникшего внешнего электрического поля — они вдобавок начнут перемещаться упорядоченно. Это направленное течение электронного газа, накладывающееся на тепловое движение электронов, и есть электрический ток в металле (поэтому свободные электроны называются также электронами проводимости). Скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике, как нам уже известно, составляет приблизительно 0,1мм/с.

Опыт Рикке

Почему мы решили, что ток в металлах создаётся движением именно свободных электронов? Положительные ионы кристаллической решётки также испытывают на себе действие внешнего электрического поля. Может, они тоже перемещаются внутри металлического проводника и участвуют в создании тока?

Упорядоченное движение ионов означало бы постепенный перенос вещества вдоль направления электрического тока. Поэтому надо просто пропускать ток по проводнику на протяжении весьма длительного времени и посмотреть, что в итоге получится. Такого рода эксперимент и был поставлен Э.Рикке в 1901 году.

В электрическую цепь были включены три прижатых друг к другу цилиндра: два медных по краям и один алюминиевый между ними (рис. 2 ). По этой цепи пропускался электрический ток в течение года.

Рис. 2. Опыт Рикке

За год сквозь цилиндры прошёл заряд более трёх миллионов кулон. Предположим, что каждый атом металла теряет по одному валентному электрону, так что заряд иона равен элементарному заряду Кл. Если ток создаётся движением положительных ионов, то нетрудно подсчитать (сделайте это сами!), что такая величина прошедшего по цепи заряда соответствует переносу вдоль цепи около 2кг меди.

Однако после разъединения цилиндров было обнаружено лишь незначительное проникновение металлов друг в друга, обусловленное естественной диффузией их атомов (и не более того). Электрический ток в металлах не сопровождается переносом вещества, поэтому положительные ионы металла не принимают участия в создании тока.

Опыт Стюарта–Толмена

Прямое экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создаётся движением свободных электронов, было дано в опыте Т.Стюарта и Р.Толмена (1916 год).

Эксперименту Стюарта–Толмена предшествовали качественные наблюдения, сделанные четырьмя годами ранее русскими физиками Л.И.Мандельштамом и Н.Д.Папалекси. Они обратили внимание на так называемый электроинерционный эффект: если резко затормозить движущийся проводник, то в нём возникает кратковременный импульс тока. Эффект объясняется тем, что в течение небольшого времени после торможения проводника его свободные заряды продолжают двигаться по инерции.

Однако никаких количественных результатов Мандельштам и Папалекси не получили, и наблюдения их опубликованы не были. Честь назвать опыт своим именем принадлежит Стюарту и Толмену, которые не только наблюдали указанный электроинерционный эффект, но и произвели необходимые измерения и расчёты.

Установка Стюарта и Толмена показана на рис. 3 .

Рис. 3. Опыт Стюарта–Толмена

Катушка большим числом витков металлического провода приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы обмотки с помощью скользящих контактов были подсоединены к специальному прибору — баллистическому гальванометру, который позволяет измерять проходящий через него заряд.

После резкого торможения катушки в цепи возникал импульс тока. Направление тока указывало на то, что он вызван движением отрицательных зарядов. Измеряя баллистическим гальванометром суммарный заряд, проходящий по цепи, Стюарт и Толмен вычислили отношение заряда одной частицы к её массе. Оно оказалось равно отношению для электрона, которое в то время уже было хорошо известно.

Так было окончательно выяснено, что носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны. Как видите, этот давно и хорошо знакомый вам факт был установлен сравнительно поздно — учитывая, что металлические проводники к тому моменту уже более столетия активно использовались в самых разнообразных экcпериментах по электромагнетизму (сравните, например, с датой открытия закона Ома — 1826 год. Дело, однако, заключается в том, что сам электрон был открыт лишь в 1897 году).

Зависимость сопротивления от температуры

Опыт показывает, что при нагревании металлического проводника его сопротивление увеличивается. Как это объяснить?

Причина проста: с повышением температуры тепловые колебания ионов кристаллической решётки становятся более интенсивными, так что число соударений свободных электронов с ионами возрастает. Чем активнее тепловое движение решётки, тем труднее электронам пробираться сквозь промежутки между ионами (Представьте себе вращающуюся проходную дверь. В каком случае труднее проскочить через неё: когда она вращается медленно или быстро? :-)). Скорость упорядоченного движения электронов уменьшается, поэтому уменьшается и сила тока (при неизменном напряжении). Это и означает увеличение сопротивления.

Как опять-таки показывает опыт, зависимость сопротивления металлического проводника от температуры с хорошей точностью является линейной:

Здесь — сопротивление проводника при . График зависимости (1) является прямой линией (рис. 4 ).

Множитель называется температурным коэффициентом сопротивления. Его значения для различных металлов и сплавов можно найти в таблицах.

Длина проводника и его площадь поперечного сечения при изменении температуры меняются несущественно. Выразим и через удельное сопротивление:

и подставим эти формулы в (1) . Получим аналогичную зависимость удельного сопротивления от температуры:

Коэффициент весьма мал (для меди, например, ), так что температурной зависимостью сопротивления металла часто можно пренебречь. Однако в ряде случаев считаться с ней приходиться. Например, вольфрамовая спираль электрической лампочки раскаляется до такой степени, что её вольт-амперная характеристика оказывается существенно нелинейной.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика лампочки

Так, на рис. 5 приведена вольт-амперная характеристика автомобильной лампочки. Если бы лампочка представляла собой идеальный резистор, её вольт-амперная характеристика была прямой линией в соответствии с законом Ома. Эта прямая изображена синим пунктиром.

Однако по мере роста напряжения, приложенного к лампочке, график отклоняется от этой прямой всё сильнее и сильнее. Почему? Дело в том, что с увеличением напряжения ток через лампочку возрастает и больше разогревает спираль; сопротивление спирали поэтому также увеличивается. Следовательно, сила тока хотя и продолжит возрастать, но будет иметь всё меньшее и меньшее значение по сравнению с тем, которое предписывается «пунктирной» линейной зависимостью тока от напряжения.

Проектируем электрику вместе

Что такое электрический ток?

Что такое электричество. Определение электричества.. Атомный уровень материи.. Атом – строительный «кирпичик» вещества.. Строительные элементы атома – протоны, нейтроны и электроны.. Свободные электроны.. Ионы.. Электрическое поле.. Электрический ток..

Мы живем в электрическом веке. Невозможно представить нашу жизнь без электричества – оно, буквально, окружает нас: это освещение и тепло в наших домах, наши сотовые телефоны и компьютеры, микроволновки и кондиционеры. Это трамваи и троллейбусы, поезда в метро и электрички. Это навигационные приборы на корабле и в подводной лодке, самолете и космической ракете… Перечислять можно сколь угодно долго.

Даже в природе мы сталкиваемся со всевозможными проявлениями электричества, от молнии в грозу до нервных импульсов в нейронах нашего организма.

Но что такое есть электричество?

Это очень непростой вопрос. Поскольку – если не копать глубже – невозможно получить простой и окончательный ответ, кроме общих абстрактных представлений о том, как электричество проявляется в окружающем мире.
Есть много определений электричества. Вот одно из них:

Электричество есть свойство материи (вещества), обусловленное взаимодействием и движением электрических зарядов.

Определение, которое не лучше и не хуже многих других, зато короткое. Надо сказать, что любые определения электричества будут поверхностными, поскольку не раскрывают базовых понятий. Что такое электрические заряды? Какими свойствами они обладают? Как электрические заряды взаимодействуют? Почему они движутся? Как обнаружить это движение.

Строительные «кирпичики» вещества

Чтобы получить ответы на эти и многие другие вопросы, мы должны изменить масштаб, перейти с внешнего видимого уровня на внутренний – атомный уровень.

Атом – один из основных строительных «кирпичиков» материи, как и жизни тоже. Атомы существуют в более чем ста различных формах, как химические элементы: водород, углерод, кислород, медь и т. д. Атомы многих видов могут объединяться и создавать молекулы, из которых строятся различные вещества, которые мы можем физически увидеть и потрогать.

Атомы представляют собой крошечные частицы, размером не более 300 пм (это 300 · 10 -12 или 3 · 10 -10 или 0,0000000003 м ). Однако даже атом не достаточно мал, чтобы объяснить, как получается электричество. Мы должны нырнуть глубже, на следующий уровень и посмотреть, из каких строительных элементов, в свою очередь, состоит сам атом.

Строительные элементы атома

Атом представляет собой комбинацию из трех различных частиц: электронов, протонов и нейтронов. Каждый атом имеет центральное ядро, в котором протоны и нейтроны плотно упакованы вместе. Ядро окружает группа орбитальных электронов ( рис. 1 ).
До 30-х годов прошлого века думали, что электроны вращаются на отдельных орбитах вокруг ядра атома, как планеты солнечной системы вокруг Солнца. Дальнейшие исследования показали, что орбиты – не совсем подходящее понятие для описания электронов. Сегодня считается, что электроны существуют, как бы в «облаке», что окружает атомное ядро.
В любой заданный момент электрон имеет некоторую статистическую вероятность нахождения его где-то в «облаке». Это пока все, что можно об этом сказать.

Каждый атом должен иметь, по крайней мере, один протон. Число протонов в атоме определяет, какой химический элемент представляет атом. Например, атом с одним протоном – это атом водорода. Атом с 29 протонами – медь. Атом с 94 протонами – плутоний…
Таким образом, количество протонов в атоме определяет его атомный номер в таблице Менделеева.
Партнеры протона по ядру – нейтроны играют важную роль в стабильности ядра и определяют изотопы атомов. Они не имеют решающего значения для понимания электричества.

Электроны – именно они имеют решающее значение для объяснения электрического тока. Поскольку электроны и протоны – противоположно заряженные частицы (электроны несут отрицательный заряд, а протоны – положительный), то в стабильном состоянии каждый атом предпочитает иметь одинаковое число электронов и протонов. Нейтроны, оправдывая свое название, являются нейтральными, они не имеют заряда. Следовательно, атом в целом электрически нейтрален. В стабильном, уравновешенном состоянии, у атома всегда будет такое же число электронов, как и протонов. Так, ядро с 29 протонами (атом меди) окружено «облаком» из 29 электронов.

Свободные электроны

Вкратце разобравшись со строением атома, мы вплотную подошли к объяснению природы электрического тока в проводниках.

Не все электроны вечно связаны с атомом. Электрон, расположенный на внешней оболочке атома (по причине его слабой связи с ядром) под воздействием внешней силы может покинуть орбиту атома и стать свободным ( рис. 2 ). Появляется атом с отсутствующим электроном, который называется ионом. Из-за отсутствия электрона на внешней оболочке указанный ион становится положительно заряженным.

Этот ион может привлечь на свою внешнюю оболочку другие электроны, которые ранее были отделены от любого другого атома и, следовательно, этот ион снова становится нейтральным атомом. Потом он снова может стать положительно заряженным.

Электроны, которые движутся в проводнике от атома к атому случайным образом, называются свободными электронами . Наличие свободных электронов – вот ключ к пониманию природы электрического тока в проводнике.

Если теперь к проводнику приложить электрическое поле ( рис. 3 ), то свободные электроны начинают дрейфовать в определенном направлении в соответствии с полярностью приложенного напряжения.


Такое направленное (упорядоченное) движение электронов в проводнике под действием электрического поля называется электрическим током.

Какое направление движения тока принимается для расчетов и каково действительное направление движения электронов? Что такое постоянный и переменный ток. Об этом и многом другом – в следующих уроках.

Атомы и электроны

Атомно-молекулярное учение

Мы приступаем к изучению химии – мира молекул и атомов. В этой статье мы рассмотрим базисные понятия и разберемся с электронными формулами элементов.

Атом (греч. а – отриц. частица + tomos – отдел, греч. atomos – неделимый) – электронейтральная частица вещества микроскопических размеров и массы, состоящая из положительно заряженного ядра (протонов) и отрицательно заряженных электронов (электронные орбитали).

Описываемая модель атома называется “планетарной” и была предложена в 1913 году великими физиками: Нильсом Бором и Эрнестом Резерфордом

Протон (греч. protos – первый) – положительно заряженная (+1) элементарная частица, вместе с нейтронами образует ядра атомов элементов. Нейтрон (лат. neuter – ни тот, ни другой) – нейтральная (0) элементарная частица, присутствующая в ядрах всех химических элементов, кроме водорода.

Электрон (греч. elektron – янтарь) – стабильная элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом (-1), заряд атома – порядковый номер в таблице Менделеева – равен числу электронов (и, соответственно, протонов).

Запомните, что в невозбужденном состоянии атом содержит одинаковое число электронов и протонов. Так у кальция (порядковый номер 20) в ядре находится 20 протонов, а вокруг ядра на электронных орбиталях 20 электронов.

Я еще раз подчеркну эту важную деталь. На данном этапе будет отлично, если вы запомните простое правило: порядковый номер элемента = числу электронов. Это наиболее важно для практического применения и изучения следующей темы.

Электронная конфигурация атома

Электроны атома находятся в непрерывном движении вокруг ядра. Энергия электронов отличается друг от друга, в соответствии с этим электроны занимают различные энергетические уровни.

Энергетические уровни подразделяются на несколько подуровней:

    Первый уровень

Состоит из s-подуровня: одной “1s” ячейки, в которой помещаются 2 электрона (заполненный электронами – 1s 2 )

Состоит из s-подуровня: одной “s” ячейки (2s 2 ) и p-подуровня: трех “p” ячеек (2p 6 ), на которых помещается 6 электронов

Состоит из s-подуровня: одной “s” ячейки (3s 2 ), p-подуровня: трех “p” ячеек (3p 6 ) и d-подуровня: пяти “d” ячеек (3d 10 ), в которых помещается 10 электронов

Состоит из s-подуровня: одной “s” ячейки (4s 2 ), p-подуровня: трех “p” ячеек (4p 6 ), d-подуровня: пяти “d” ячеек (4d 10 ) и f-подуровня: семи “f” ячеек (4f 14 ), на которых помещается 14 электронов

Зная теорию об энергетических уровнях и порядковый номер элемента из таблицы Менделеева, вы должны расположить определенное число электронов, начиная от уровня с наименьшей энергией и заканчивая к уровнем с наибольшей. Чуть ниже вы увидите несколько примеров, а также узнаете об исключении, которое только подтверждает данные правила.

Подуровни: “s”, “p” и “d”, которые мы только что обсудили, имеют в определенную конфигурацию в пространстве. По этим подуровням, или атомным орбиталям, движутся электроны, создавая определенный “рисунок”.

S-орбиталь похожа на сферу, p-орбиталь напоминает песочные часы, d-орбиталь – клеверный лист.

Правила заполнения электронных орбиталей и примеры

Существует ряд правил, которые применяют при составлении электронных конфигураций атомов:

  • Сперва следует заполнить орбитали с наименьшей энергией, и только после переходить к энергетически более высоким
  • На орбитали (в одной “ячейке”) не может располагаться более двух электронов
  • Орбитали заполняются электронами так: сначала в каждую ячейку помещают по одному электрону, после чего орбитали дополняются еще одним электроном с противоположным направлением
  • Порядок заполнения орбиталей: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s

Должно быть, вы обратили внимание на некоторое несоответствие: после 3p подуровня следует переход к 4s, хотя логично было бы заполнить до конца 4s подуровень. Однако природа распорядилась иначе.

Запомните, что, только заполнив 4s подуровень двумя электронами, можно переходить к 3d подуровню.

Без практики теория мертва, так что приступает к тренировке. Нам нужно составить электронную конфигурацию атомов углерода и серы. Для начала определим их порядковый номер, который подскажет нам число их электронов. У углерода – 6, у серы – 16.

Теперь мы располагаем указанное количество электронов на энергетических уровнях, руководствуясь правилами заполнения.

Обращаю ваше особе внимание: на 2p-подуровне углерода мы расположили 2 электрона в разные ячейки, следуя одному из правил. А на 3p-подуровне у серы электронов оказалось много, поэтому сначала мы расположили 3 электрона по отдельным ячейкам, а оставшимся одним электроном дополнили первую ячейку.

Таким образом, электронные конфигурации наших элементов:

  • Углерод – 1s 2 2s 2 2p 2
  • Серы – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4
Внешний уровень и валентные электроны

Количество электронов на внешнем (валентном) уровне – это число электронов на наивысшем энергетическом уровне, которого достигает элемент. Такие электроны называются валентными: они могут быть спаренными или неспаренными. Иногда для наглядного представления конфигурацию внешнего уровня записывают отдельно:

  • Углерод – 2s 2 2p 2 (4 валентных электрона)
  • Сера -3s 2 3p 4 (6 валентных электронов)

Неспаренные валентные электроны способны к образованию химической связи. Их число соответствует количеству связей, которые данный атом может образовать с другими атомами. Таким образом неспаренные валентные электроны тесно связаны с валентностью – способностью атомов образовывать определенное число химических связей.

  • Углерод – 2s 2 2p 2 (2 неспаренных валентных электрона)
  • Сера -3s 2 3p 4 (2 неспаренных валентных электрона)
Тренировка

Потренируйтесь и сами составьте электронную конфигурацию для магния и скандия. Определите число электронов на внешнем (валентном) уровне и число неспаренных электронов. Ниже будет дано наглядное объяснение этой задаче.

Запишем получившиеся электронные конфигурации магния и фтора:

  • Магний – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2
  • Скандий – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 1
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий