Направление электрического тока в металлическом проводнике: Электрический ток в металлических проводниках

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

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.

к оглавлению ▴

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.

к оглавлению ▴

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.

к оглавлению ▴

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).

к оглавлению ▴

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:

(1)

Здесь — сопротивление проводника при .

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.

Разберем задание из вариантов ЕГЭ по физике по теме «Электрический ток в металлах, металлы и диэлектрики в электрическом поле».

Задача 1.  

Два незаряженных пластмассовых кубика 1 и 2 сблизили вплотную и поместили в электрическое поле, напряжённость которого направлена горизонтально вправо, как показано в левой части рисунка. То же самое проделали с двумя незаряженными стальными кубиками 3 и 4. Затем кубики быстро раздвинули и уже потом убрали электрическое поле (правая часть рисунка).
Выберите два верных утверждения, описывающих данный процесс.
1)    После разделения кубик 3 имеет отрицательный заряд.
2)    При помещении пластмассовых кубиков в электрическое поле наблюдается явление поляризации.
3)    В электрическом поле кубики 1 и 2 приобретают суммарный отрицательный заряд.
4)    В электрическом поле кубики 3 и 4 приобретают суммарный отрицательный заряд.
5)    После разделения кубик 2 имеет положительный заряд.

Решение:

Пластмассовые кубики 1 и 2 – диэлектрики. При помещении их в однородное электростатическое поле в них происходит поляризация – поворот молекул вдоль силовых линий поля. Утверждение 2 – верное. При этом эти кубики не приобретают никакого заряда и после отключения поля возвращаются в исходное состояние, оставаясь незаряженными. Утверждения 3 и 5 – неверные.

Кубики 3 и 4 стальные, то есть металлические. В них происходит перераспределение электронов – электризация. При этом электроны смещаются против силовой линии, то есть влево. Поэтому кубик 3 приобретает отрицательный заряд, так как в нём будет избыток электронов. А кубик 4 приобретает положительный заряд, так как в нём будет недостаток электронов. Суммарный же заряд остаётся неизменным и равным нулю, каким он и был до включения поля, по закону сохранения заряда. Утверждение 1 – верное. Утверждение 4 – неверное.

Ответ:

1. 1
2.  2

Задача 2.  

Два незаряженных алюминиевых кубика 1 и 2 сблизили вплотную и поместили в электрическое поле, напряжённость которого направлена горизонтально вправо, как показано в левой части рисунка. То же самое проделали с двумя незаряженными эбонитовыми кубиками 3 и 4. Затем кубики быстро раздвинули и уже потом убрали электрическое поле (правая часть рисунка).
Выберите два верных утверждения, описывающих данный процесс.
1)    После разделения кубик 3 имеет отрицательный заряд.
2)    В электрическом поле кубики 1 и 2 приобретают суммарный отрицательный заряд.
3)    При помещении алюминиевых кубиков в электрическое поле в них происходит
перераспределение свободных электронов.
4)    В электрическом поле кубики 3 и 4 приобретают суммарный отрицательный заряд.
5)    После разделения кубик 2 имеет положительный заряд.

Решение:

Алюминиевые кубики 1 и 2 – проводники. В них происходит перераспределение электронов – электризация. При этом электроны смещаются против силовой линии, то есть влево. Поэтому кубик 1 приобретает отрицательный заряд, так как в нём будет избыток электронов. А кубик 2 приобретает положительный заряд, так как в нём будет недостаток электронов. Суммарный же заряд остаётся неизменным и равным нулю, каким он и был до включения поля, по закону сохранения заряда. Утверждение 2 – неверное. Утверждение 3 – верное. Утверждение 5 – верное.

Кубики 3 и 4 эбонитовые, то есть диэлектрики. При помещении их в однородное электростатическое поле в них происходит поляризация – поворот молекул вдоль силовых линий поля. При этом эти кубики не приобретают никакого заряда и после отключения поля возвращаются в исходное состояние, оставаясь незаряженными. Утверждения 1 и 4 – неверные.

Ответ:

1. 3
2. 5

Спасибо за то, что пользуйтесь нашими статьями. Информация на странице «Электрический ток в металлах» подготовлена нашими редакторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к экзаменам. Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в ВУЗ или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий. Также вы можете воспользоваться другими статьями из данного раздела.

Публикация обновлена: 08.03.2023

Механизм протекания тока в металлических проводниках класса 12 |PW

Поток тока в металлах обусловлен потоком свободных электронов. В отсутствие какой-либо внешней ЭДС (с помощью батареи) свободные электроны беспорядочно перемещаются по металлу из одной точки в другую, давая нулевой чистый ток.

При подключении к батарее свободные электроны ускоряются благодаря электрическому полю (созданному батареей) и приобретают скорость и энергию. Однако этот переход не является гладким, и электроны сталкиваются с ионами решетки, в которых конечным источником выигрыша (энергии) является ион. Поскольку мы знаем, что температура тела связана с энергией колебаний этих ионов, эти столкновения приводят к повышению температуры металла. Потеря энергии электронами при столкновении и ускорение их электрическим полем, в конечном счете, приводит к дрейфу электронов в определенном направлении. (Хотя фактическое движение электронов неустойчиво, общий эффект заключается в дрейфе электронов)

Скорость дрейфа

Предположим, что носители положительного заряда движутся с одинаковой скоростью дрейфа vd по площади поперечного сечения провода A, как показано на рисунке.

Количество носителей заряда на длине провода L равно nAL, где n — количество носителей заряда в единице объема. Суммарный заряд носителей, каждый с зарядом e, на длине L равен

д = (нАЛ)е

Так как все носители заряда движутся по проводу со скоростью vd, то суммарный заряд проходит через любое поперечное сечение провода за интервал времени

т = л/вд

∴ Ток (i) = кв/т

или,i = nAevd

или ,vd = i/nAe

или, .

Рисунок 4. Какова дрейфовая скорость электронов в медном проводнике площадью поперечного сечения 5 × 10–6 м2 при силе тока 10 А? Предположим, что имеется 8 × 1028 электронов/м3.

Решение: Учитывая это,

A = 5 × 10–6 м2, I = 10 А и n = 8 × 1028 электронов/м3

Теперь vd = м/с

или vd = 1,5625 × 10–4 м/с.

Рисунок 5. По медному проводу сечением 2 мм2 течет ток силой 30 А. Рассчитайте среднеквадратичную скорость (тепловую скорость) свободных электронов при 27°С. Также докажите, что vd очень мало по сравнению с ним.

Приведены данные: ρCu = 8,9 г/см3, постоянная Больцмана k = 1,38 × 10–23 Дж/К

me = 9,1 × 10–31 кг, NA = 6,023 × 1023, атомный вес Cu = 63,

Решение:

63 г меди = 6,023 × 1023 атомов меди.

= 1 см3 атомов Cu.

Теперь каждый атом Cu вносит один электрон

Понятно, что vd намного меньше, чем v _{термическая} .

Мобильность

Подвижность носителя заряда определяется как дрейфовая скорость носителя заряда на единицу электрического поля. Обычно обозначается μ. Если vd — дрейфовая скорость, достигаемая свободными электронами при приложении электрического поля E, то подвижность электронов определяется выражением .

μ = vd/E

Единицей СИ для μ является м2 В-1с-1.

Подставив vd = µE в I = neAvd. Получаем I = neAµE. Это уравнение дает связь между подвижностью электронов и током через проводник.

Похожие темы

• Закон Кирхгофа
• Потенциометр

Электрический ток — Как генерируется электрический ток | Определение

Электроника приборы и схемы >> Атомные физика >> Электрический ток

Обычно, текущий означает перетекание чего-либо из одного места в другое. Для например, вода, падающая с холма, речная вода, текущая с одного места в другое место, и океанская вода, движущаяся из одного места в другое место известны как водные потоки. В реке и океан, молекулы воды движутся из одного места в другое место будет проводить ток.

В а аналогичным образом, носители электрического заряда, движущиеся от одного точка на другую точку в проводнике или полупроводнике будет проводит электрический ток.

Электрический текущий определение

течение носителей электрического заряда в проводнике или полупроводнике называется электрический ток.

В дирижеры или полупроводники, электрический ток проводится крошечными частицы. Эти крошечные частицы известны как электрический заряд. перевозчики.

носителями электрического заряда могут быть электроны, дырки, протоны, ионы и т. д. Однако электрический ток часто проводится электронами и дырками.

В проводники, отверстия незначительны. Итак, электроны проводят электрический ток. В полупроводниках присутствуют как электроны, так и дырки. Так и электроны, и дырки проводят электрический ток.

Электрический ток является важной величиной в электронных схемах. Когда напряжение применяется через проводник или полупроводник, начинает течь электрический ток. Электрический ток часто называется «текущим» для простоты.

Электрический текущий символ

Электрический ток представлен символом ɪ. символ ɪ был использовал французский физик Андре-Мари Ампер. единица электрического тока (ампер) названа в его честь.

Что представляет собой электрический заряд?

Электрический заряд является фундаментальным свойством частиц, таких как электроны и протоны. Электрический заряд не может быть создан ни уничтожены. Это означает, что если есть электрон или протон потом идет зарядка.

Электроны имеют отрицательный заряд, а протоны — положительный. Протоны намного тяжелее электронов. Тем не менее, обвинение протона равен заряду электрона.

Мы известно, что если два противоположных заряда поместить рядом друг с другом другие их привлекают. С другой стороны, если два одинаковых или заряды, расположенные близко друг к другу, отталкиваются.

Когда протон находится ближе к электрону, они притягиваются. С другой стороны, когда два протона или два электрона расположенные близко друг к другу, они отталкиваются.

Электрический заряжать измеряется в кулонах (С). Один кулон – это количество заряд, переносимый током 1 ампер за 1 секунду. Для Например, если заряд 4 Кл проходит за 2 секунды, то ток = 4 ÷ 2 = 2 ампера (А).

Как возникает электрический ток?

Атомы являются основными строительными блоками материи. Каждый объект в вселенная состоит из атомов. Атомы самые крошечные частицы. Их размер в нанометрах.

Каждый атом состоит из субатомных частицы, такие как электроны, протоны и нейтроны. Эти субатомные частицы меньше атома.

Электроны отрицательно заряжены частицы, протоны — положительно заряженные частицы, а нейтроны — нейтральные частицы (без заряда).

Протоны и нейтроны намного тяжелее чем электроны. Таким образом, протоны и нейтроны всегда находятся на центр атома. сильный ядерная сила между протонами и нейтронами заставляет их всегда держаться вместе.

Протоны имеют положительный заряд и нейтроны не имеют заряда. Таким образом, общий заряд ядра положительный.

Электроны всегда вращаются вокруг ядра из-за электростатической силы притяжения между ними.

Электроны вращаются вокруг ядра на разных орбитах. Каждая орбита имеет энергетический уровень связанные с ним.

Электроны вращаются на близком расстоянии расстоянии от ядра имеют очень низкую энергию. С другой стороны, электроны вращаются на большем расстоянии от ядра обладают очень высокой энергией.

Электроны на самой внешней орбите атом называется валентным электроны. Эти электроны очень слабо связаны с родительский атом. Таким образом, применяя небольшое количество энергии достаточно, чтобы освободить их от родительского атома.

При небольшом количестве энергии в форме тепла, света или электричества поле прикладывается к валентным электронам, они приобретают достаточную энергию, а затем отделяется от родительского атома.

Электроны, отделенные от родительский атом называется свободным электроны. Эти электроны свободно перемещаются из одного места в другое место.

Мы знаем, что электроны имеют отрицательную заряжать. Таким образом, свободные электроны несут отрицательный заряд с одного место в другое место.

Мы знаем, что электрический ток означает поток заряда. Так что электроны свободно перемещаются из одного места в другое место будет проводить электрический ток.

В полупроводниках оба свободных электрона и дырки есть. Свободные электроны отрицательно заряженные частицы. Поэтому они несут отрицательный заряд (электрический текущий). Дырки — это положительно заряженные частицы. Поэтому они несут положительный заряд (электрический ток).

Таким образом, и свободные электроны, и дырки проводят электрический ток в полупроводниках.

В проводниках отверстия незначительны. Так свободные электроны проводят электрический ток.

Протоны также обладают способностью проводить электрический ток. Однако протоны не могут свободно двигаться из одного места в другое место, как электроны. Они всегда удерживается в фиксированном положении. Значит, протоны не проводят электрический ток.

СИ единица электрического тока

Единицей электрического тока в системе СИ является ампер, названный в честь французского физика Андре-Мари Ампер. Электрический ток, протекающий в проводнике или полупроводник измеряется в амперах. Ампер тоже иногда называется амперами или А.

Ток, протекающий через электронный компонент (например, диод) в цепи измеряется с помощью прибора под названием амперметр.

Текущий направление

При подаче напряжения на проводник или полупроводник, начинает течь электрический ток.

В проводниках, положительно заряженных протоны удерживаются в фиксированном положении и отрицательно заряженные электроны перемещаются из одного места в другое несущий заряд. Таким образом, электроны проводят электрический ток в проводниках.

В полупроводниках оба свободных электрона а дырки переносят заряд из одного места в другое. Таким образом, электроны и дырки проводят электрический ток в полупроводники.

При подаче напряжения электроны (отрицательные заряды) перемещаются от отрицательного полюса батареи к положительный конец батареи. Итак, электроны (отрицательные заряды) направление тока от отрицательного к положительному.

С другой стороны, отверстия (положительные заряды) перемещаются от положительного конца батареи к отрицательному конец батареи. Так что дырки (положительные заряды) тока направление от положительного к отрицательному.

Обычный текущее направление от положительного к отрицательному (так же, как текущее направление положительных зарядов).