Металдардағы электр тогының табиғаты. Толмэн-Стюарт тәжірибесі

Металл өткізгіштердің ерекшелігі-электр заряды бос электрондарды тасымалдайды. Олар сыртқы электр өрісінің әсерінен бір бағытта қозғалады, электр тогын жасайды.

Металдардағы электр өткізгіштігінің табиғаты кристалдық тордың болуына байланысты, оның түйіндерінде оң иондар орналасқан, ал бос электрондар олардың арасындағы кеңістікте қозғалады. Еркін электрондар өз атомдарының ядроларымен байланысты емес. Барлық бос электрондардың теріс заряды барлық тор иондарының оң зарядына тең, сондықтан өткізгіш электрлік бейтарап болып саналады.

Мандельстам мен Папалексидің тәжірибесін кім ашты

Металдардың электр өткізгіштігін зерттеудегі алғашқы эксперименттерді 1901 жылы неміс ғалымы Карл Виктор Эдуард Рикке жүргізді. Эксперименттің мәні келесідей болды. Үш жылтыратылған цилиндр бір–біріне мықтап басылып, осы ретпен орналастырылған: мыс–алюминий-мыс. Бір жыл ішінде олар арқылы ток бір бағытта өтті.

Осы өткізгіш арқылы өткен жалпы заряд барлық уақытта 3,5 МКл-ден асады. Тәжірибе аяқталғаннан кейін цилиндрлер өлшеніп, олардың массалары өзгермегені белгілі болды. Бұл зерттеу металдардағы токтың өтуі химиялық процестермен және заттың берілуімен байланысты емес екендігінің дәлелі болды, ал заряд барлық металдарда, яғни электрондарда болатын бөлшектермен жасалады.

Жиналғаннан кейін келесі орнату: катушка на стержне-бабына скользящими байланыстар, олар жалғанған гальванометру. Катушка жоғары жылдамдықпен айналды, содан кейін ол күрт тоқтап, гальванометр көрсеткісінің ауытқуы тіркелді. Эксперимент барысында ғалымдар электронның массасы бар екенін анықтады. Бірақ олар бұл массаны өлшей алмады, тәжірибе тек сапалы болды.

Үш жылдан кейін физиктер Р.Толмен мен Б. Стюарт сандық өлшеулер жүргізуге мүмкіндік беретін осындай эксперименттің өзіндік нұсқасын ұсынды. Олар электронның массасын есептей алды. Мұны істеу үшін олар тежеу кезінде пайда болатын катушканың шығысындағы зарядты өлшеді. Катушка кенеттен тоқтағаннан кейін тізбекте ток импульсі пайда болды. Токтың бағыты оның теріс зарядтардың қозғалысынан туындағанын көрсетті.

Баллистикалық гальванометрдің көмегімен ғалымдар тізбек бойымен өтетін жалпы зарядты өлшеді және бір бөлшектің зарядының оның массасына қатынасын есептеді Q m-ге бөлінбейді. ол электронды қатынасы бойынша m-ге бөлінеді Электрон үшін 1 үтір 8 ғарыштық кросс 1011 рет кеңістік L-ге бөлінеді К г үтір сол кезде белгілі болған.

Оны қандай бөлшектер жасайды, токтың таралу жылдамдығы

Металдардың жақсы электр өткізгіштігі бос электрондардың жоғары концентрациясына байланысты. Кристалл торының түйінінде орналасқан әрбір металл атомында бір немесе бірнеше валентті (бос) электрондар болады. Валенттілік электрондары сыртқы электронды қабықта орналасқан және ядромен әлсіз байланысқан, сондықтан атом олармен оңай бөлінеді.

Олар Кристалл бойымен әртүрлі бағытта Жылу қозғалысын жасайды. Оң иондар кристалл торының түйіндерінде қалады, ал олардың арасындағы кеңістік бос электрондармен немесе электронды газ деп аталады.

Егер металл өткізгіш ток көзіне қосылып, тізбекті жауып тастаса, валенттілік электрондары хаотикалық қозғалысты жалғастырады, бірақ пайда болған сыртқы электр өрісінің әсерінен олар бір бағытта қозғала бастайды. Бұл электрондардың жылу қозғалысымен біріктірілген электронды газдың реттелген ағымы және металда электр тогы бар.

Өткізгіштегі кез келген электронның реттелген қозғалысының жылдамдығы (дрейф жылдамдығы) 1 мм/с аспайды.

Электр өрісінің таралуымен бір уақытта барлық электрондар өткізгіштің бүкіл ұзындығы бойымен бір бағытта қозғала бастайды.

Металдардың классикалық электронды теориясы электрондардың қозғалысы Ньютон механикасының заңдарына бағынады. Бұл жағдайда электрондардың өзара әрекеттесуі ескерілмейді. Сондай-ақ, оң иондармен әр соқтығысқан кезде электрон электр өрісінде алынған барлық энергияны торға өткізеді, содан кейін нөлдік дрейф жылдамдығымен қозғала бастайды деп болжанады.

Осы ерекшеліктерге қарамастан, металл өткізгіштердегі электр тогының заңдары–ОМ және Джоуль — Ленц-классикалық электронды теория аясында.

I R-ден U-ге тең

Ом Және Джоуль–Ленц Заңдарының Дифференциалдық Түрі

Электр тогы ағып жатқан кезде өткізгіш қызатындықтан, жылу шығады. 1841-1842 жылдары бір-біріне тәуелсіз екі ғалым Дж. Джоуль (Англия) Э И.х. Ленц (Ресей) шығарылған жылу мөлшері Q және I2 в тогының квадратына тура пропорционал екенін тәжірибе жүзінде дәлелдеді, р өткізгіштің кедергісі және ток өткізгіш арқылы өтетін уақыт т.

Формула 2

Q=I2Rt.

Формула 3

Біртекті тізбектің бөлімі үшін Ом заңын қолдану және ток күшін анықтау арқылы формуланың келесі нұсқаларын алуға болады:

Q=A = I2Rt=IUT=(U2 / R) * т.

Металдардағы электр тогының қасиеттерін қолдану

Келесі салаларға қатысы бар:

Электр қозғалтқыштары.

Өнеркәсіп пен үйде пайдалануға арналған барлық типтегі жылыту құрылғылары: жарық шамдарына арналған спиральдар, қыздыру спиральдары (жылытқыштар, шәйнектер және т.б.).

Күшті магнит өрістерін алу (МРТ, зымырандар мен генераторлар үшін үдеткіштерде өте өткізгіш орамасы бар электромагниттер).

Электр өлшеу құралдары: амперметрлер, вольтметрлер, электр есептегіштер және т. б.

Металлургияда:

гальваностегия-кейбір металдарды коррозияға төзімді басқалармен жабудың электрохимиялық процесі: алтын жалату, күмістеу, никельмен қаптау және т. б. сонымен қатар бұйымдарға сәндік көрініс беру үшін қолданылады;

гальванопластика-рельефтерден металл көшірмелерін алу. Бедердің гипс бедері графит қабатымен жабылады және электролитке батырылады — катодтағыдай бедерде тұндырылатын металл тұзының ерітіндісі. Гипсті алып тастағаннан кейін рельефтің металл көшірмесі алынады;

электролиттік тазарту Түсті металдарды қоспалардан тазартуға мүмкіндік береді.

1916 жылы Толман мен Стюарттың тәжірибесі металдардағы ток тасымалдаушылардың электрондар екендігіне тікелей дәлел болды. Тәжірибенің мәні келесідей болды. Толмен мен Стюарттың тәжірибесі ұзын l l сымымен өткізгіш катушкалар өз осіне үлкен жылдамдықпен айналды, ал оның ұштары гальванометрге жабылды. Катушка күрт тежелген кезде, металдағы бос электрондар инерция арқылы қозғалуды жалғастырды және гальванометр ток импульсін тіркеді. Еркін электрондар Ньютон механикасының заңдарына бағынады деп есептей отырып, өткізгіш тоқтаған кезде электрон V 'v' үдеуін алады (катушкаларда сымдар бойымен бағытталған). Бұл жағдайда электронға үдеуге қарама-қарсы бағытталған күш әсер етеді.