Головна » Фізика

Електричний струм в металах

У фізиці пояснення основних закономірностей електричного струму ґрунтується на гіпотезі вільних електронів.

Для створення внутрішньо несуперечливої теорії електропровідності необхідно знайти пояснення експериментальним фактам: чому при різниці потенціалів менш 10-8 еВ в провіднику з'являється електричний струм.

При накладенні електричного поля збільшується швидкість електронів, що рухаються в напрямку поля, і зменшується в тій же мірі швидкість електронів, що рухаються проти поля. Кількість електронів, що рухаються в напрямку поля і проти поля в середньому рівні між собою. Якщо електрони перебувають у металі у вигляді газу, то між ними буде відбуватися обмін кінетичної енергією, і, відповідно, створення поля всередині провідника не повинно навіть у настільки малому ступені (точність розрахунків сумнівна) впливати ні на швидкість, ні на енергію електронів в провіднику.

Властивості провідника, по якому йде струм, різко відрізняються від властивостей цього ж провідника за відсутності в ньому струму. У першому випадку, провідник має магнітне поле і розігрівається в міру проходження струму. Як же це пояснюється в рамках теорії металевого зв'язку? У теорії електропровідності показано, що пов'язані електрони в металах легко (практично без енергетичних витрат) переміщаються уздовж металевих зв'язків. Їх рух у напрямку, створюваному полем, обумовлено не дією поля, а їх витісненням з провідника з одного його кінця електронами, які надходять в провідник з протилежного кінця провідника.

Атом в металі може бути пов'язаний з іншими атомами різними типами зв'язку (одно і двохелектронними ковалентними, ван-дер-ваальсовськими). У цьому випадку, система, що складається з ядер і зв'язаних електронів, має кілька близько лежачих енергетичних мінімумів (енергетичних станів), і можливі форми переходять один в одного за рахунок переходу електронів. Якщо форми розрізняються по енергії, то рівновага між формами зсувається в бік форми з меншою енергією.

Таким чином, створення напруги між анодом і катодом, збільшення концентрації електронів на аноді вище рівноважного і її зменшення на катоді нижче рівноважного просто зменшує швидкість переміщення електронів справа наліво в полімерного ланцюга, утвореного за рахунок динамічних зв'язків. Зниження швидкості переміщення електронів обумовлено зменшенням кількості таких місць для електронів, при переході в які при ізомеризації енергія системи могла б зменшитися. У свою чергу, зменшення доступних місць для електронів обумовлено їх заповненням за рахунок електронів, що надходять з анода. З іншого боку, зменшення потоку електронів, що рухаються вздовж поля, збільшує порівняно з знеструмленим провідником рух в ньому електронів в іншу сторону. Всі стадії запропонованого механізму утворення електричного струму знайшли підтвердження в хімічних і фізичних експериментах. Основними положеннями даної теорії є наступні:

- електричний струм є потоком електронів, що рухаються в провідниках в одному напрямку від анода (негативно зарядженого електрода) до катода, зарядженого позитивно. Носіями електричного струму в металах є електрони, що встановлено у фізичних експериментах Толмена і Стюарта в 1916 р.

- у металах кожен атом металу пов'язаний з вісьмома або дванадцятьма іншими атомами. Відповідно, електрони можуть рухатися вільно по 8 або 12 напрямам вздовж зв'язків зі швидкість близькою і навіть більшою, ніж електрони у вигляді газу, тобто поводяться як «вільні» електрони. У неметалах електрони не переходять зі зв'язку на зв'язок, так як в неметалах немає близько лежачих енергетичних станів.

- електрони, що зв'язують атоми в молекули, при наявності близько розташованих (0,5 - 2Å ) мінімумів енергії, з великою швидкістю ( > 105 м/сек) переходять з одного мінімуму в інший. Це доводиться хімічними експериментами, в ході яких було відкрито це явище і вивчена кінетика його протікання.

Результатом узагальнення експериментів стало відкриття явища оборотної електронної ізомеризації, була вивчена кінетика його протікання. Ці успіхи дозволили відповісти на чергові питання, що виникли в ході розвитку теоретичної хімії: фізичний зміст правил резонансу, як протікає хімічна реакція і з'ясувати фізичний зміст металевого зв'язку. Стосовно до теорії електричного струму в металі використання цього узагальнення дозволило відповісти на ряд парадоксальних запитань і запропонувати нове і, головне, несуперечливе пояснення природи електричного струму. У запропонованій теорії немає ніяких нових припущень. (Наявність зовнішніх протиріч передбачає існування експериментів або теорій, які сперечаються з даною теорією ).

Експериментальні дані по оборотній електронній ізомеризації були отримані після створення елементарної класичної теорії електричного струму - теорії Пауля Друде (Paul Karl Drude), що виникла відразу після відкриття електрона Дж. Томсоном в 1897 році. Класична теорія електропровідності була «дитям свого часу» (Truth is the Daughter of Time, not of Authority, F. Bacon (1561-1626 р.р.). Закріпленню класичної теорії в науці сприяло те, що «класична теорія електропровідності змогла пояснити закони Ома і Джоуля - Ленца, а також дала якісне пояснення закону Відемана - Франца». Крім того, визнанню теорії сприяло те, що ця теорія лягла в основу теорії металевого зв'язку і стала широко використовуватися в хімії для пояснення зв'язку в металах.



ЗАВАНТАЖИТИ ПРЕЗЕНТАЦІЮ


Презентації на схожу тему:
Всього коментарів: 0
Имя *:
Email *:
Код *: