Механизм возникновения сопротивления металла

Понятие об электрическом сопротивлении и проводимости

Любое тело, по которому протекает электрический ток, оказывает ему определенное сопротивление. Свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением.

Электронная теория так объясняет сущность электрического сопротивления металлических проводников. Свободные электроны при движении по проводнику бесчисленное количество раз встречают на своем пути атомы и другие электроны и, взаимодействуя с ними, неизбежно теряют часть своей энергии.

Электроны испытывают как бы сопротивление своему движению. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.

Точно тем же объясняется сопротивление жидких проводников и газов прохождению электрического тока. Однако не следует забывать, что в этих веществах не электроны, а заряженные частицы молекул встречают сопротивление при своем движении.

• Сопротивление обозначается латинскими буквами R или r.
• За единицу электрического сопротивления принят ом.
• Ом есть сопротивление столба ртути высотой 106,3 см с поперечным сечением 1 мм2 при температуре 0° С.
• Если, например, электрическое сопротивление проводника составляет 4 ом, то записывается это так: R = 4 ом или r = 4 ом.
• Для измерения сопротивлений большой величины принята единица, называемая мегомом.
• Один мегом равен одному миллиону ом.
• Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через этот проводник.
• Следовательно, для характеристики проводника (с точки зрения прохождения через него электрического тока) можно рассматривать не только его сопротивление, но и величину, обратную сопротивлению и называемую, проводимостью.

1. Электрической проводимостью называется способность материала пропускать через себя электрический ток.
2. Так как проводимость есть величина, обратная сопротивлению, то и выражается она как 1/R,обозначается проводимость латинской буквой g.
3. Влияние материала проводника, его размеров и окружающей температуры на величину электрического сопротивления

Сопротивление различных проводников зависит от материала, из которого они изготовлены. Для характеристики электрического сопротивления различных материалов введено понятие так называемого удельного сопротивления.

Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2. Удельное сопротивление обозначается буквой греческого алфавита р. Каждый материал, из которого изготовляется проводник, обладает своим удельным сопротивлением.

Например, удельное сопротивление меди равно 0,017, т. е. медный проводник длиной 1 м и сечением 1 мм2 обладает сопротивлением 0,017 ом. Удельное сопротивление алюминия равно 0,03, удельное сопротивление железа — 0,12, удельное сопротивление константана — 0,48, удельное сопротивление нихрома — 1-1,1.

Подробнее об этом читайте здесь: Что такое удельное электрическое сопротивление

Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, т. е. чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление.

Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения, т. е. чем толще проводник, тем его сопротивление меньше, и, наоборот, чем тоньше проводник, тем его сопротивление больше.

Чтобы лучше понять эту зависимость, представьте себе две пары сообщающихся сосудов, причем у одной пары сосудов соединяющая трубка тонкая, а у другой — толстая.

Ясно, что при заполнении водой одного из сосудов (каждой пары) переход ее в другой сосуд по толстой трубке произойдет гораздо быстрее, чем по тонкой, т. е. толстая трубка окажет меньшее сопротивление течению воды.

Точно так же и электрическому току легче пройти по толстому проводнику, чем по тонкому, т. е. первый оказывает ему меньшее сопротивление, чем второй.

• Электрическое сопротивление проводника равно удельному сопротивлению материала, из которого этот проводник сделан, умноженному на длину проводника и деленному на площадь площадь поперечного сечения проводника:
• R = (p x l) / S,
• где — R — сопротивление проводника, ом, l — длина в проводника в м, S — площадь поперечного сечения проводника, мм2.
• Площадь поперечного сечения круглого проводника вычисляется по формуле:
• S = (Пи х d2)/ 4
• где Пи — постоянная величина, равная 3,14; d — диаметр проводника.
• А так определяется длина проводника:
• l = (S х R) / p,
• Эта формула дает возможность определить длину проводника, его сечение и удельное сопротивление, если известны остальные величины, входящие в формулу.
• Если же необходимо определить площадь поперечного сечения проводника, то формулу приводят к следующему виду:
• S = (p х l) / R
• Преобразуя ту же формулу и решив равенство относительно р, найдем удельное сопротивление проводника:
• р = (R х S) / l

Последней формулой приходится пользоваться в тех случаях, когда известны сопротивление и размеры проводника, а его материал неизвестен и к тому же трудно определим по внешнему виду. Для этого надо определить удельное сопротивление проводника и, пользуясь таблицей, найти материал, обладающий таким удельным сопротивлением.

Еще одной причиной, влияющей на сопротивление проводников, является температура.

Установлено, что с повышением температуры сопротивление металлических проводников возрастает, а с понижением уменьшается. Это увеличение или уменьшение сопротивления для проводников из чистых металлов почти одинаково и в среднем равно 0,4% на 1°C. Сопротивление жидких проводников и угля с увеличением температуры уменьшается.

Электронная теория строения вещества дает следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с повышением температуры.

При нагревании проводник получает тепловую энергию, которая неизбежно передается всем атомам вещества, в результате чего возрастает интенсивность их движения. Возросшее движение атомов создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов, отчего и возрастает сопротивление проводника.

С понижением же температуры создаются лучшие условия для направленного движения электронов, и сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется интересное явление — сверхпроводимость металлов.

Сверхпроводимость, т. е. уменьшение сопротивления металлов до нуля, наступает при огромной отрицательной температуре -273° C, называемой абсолютным нулем. При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы застывают на месте, совершенно не препятствуя движению электронов.

Закон Ома — формулировка простыми словами, определение

Представьте, что есть труба, в которую затолкали камни. Вода, которая протекает по этой трубе, станет течь медленнее, потому что у нее появилось сопротивление. Точно также будет происходить с электрическим током.

Сопротивление — физическая величина, которая показывает способность проводника пропускать электрический ток. Чем выше сопротивление, тем ниже эта способность.

Теперь сделаем «каменный участок» длиннее, то есть добавим еще камней. Воде будет еще сложнее течь.

Сделаем трубу шире, оставив количество камней тем же — воде полегчает, поток увеличится.

Теперь заменим шероховатые камни, которые мы набрали на стройке, на гладкие камушки из моря. Через них проходить тоже легче, а значит сопротивление уменьшается.

Электрический ток реагирует на эти параметры аналогичным образом: при удлинении проводника сопротивление увеличивается, при увеличении поперечного сечения (ширины) проводника сопротивление уменьшается, а если заменить материал — изменится в зависимости от материала.

Эту закономерность можно описать следующей формулой:

Сопротивление R = ρ · l/S R — сопротивление [Ом] l — длина проводника [м] S — площадь поперечного сечения [мм2] ρ — удельное сопротивление [Ом · мм2/м]

Единица измерения сопротивления — ом. Названа в честь физика Георга Ома.

Будьте внимательны!

Площадь поперечного сечения проводника и удельное сопротивление содержат в своих единицах измерения мм2. В таблице удельное сопротивление всегда дается в такой размерности, да и тонкий проводник проще измерять в мм2. При умножении мм2 сокращаются и мы получаем величину в СИ.

Но это не отменяет того, что каждую задачу нужно проверять на то, что там мм2 в обеих величинах! Если это не так, то нужно свести не соответствующую величину к мм2.

СИ — международная система единиц. «Перевести в СИ» означает перевод всех величин в метры, килограммы, секунды и другие единицы измерения без приставок. Исключение составляет килограмм с приставкой «кило».

Удельное сопротивление проводника — это физическая величина, которая показывает способность материала пропускать электрический ток. Это табличная величина, она зависит только от материала.

Таблица удельных сопротивлений различных материалов

Материал	Удельное сопротивлениеρ, Ом · мм2/м
Алюминий	0,028
Бронза	0,095–0,1
Висмут	1,2
Вольфрам	0,05
Железо	0,1
Золото	0,023
Иридий	0,0474
Константан (сплав NiCu + Mn)	0,5
Латунь	0,025–0,108
Магний	0,045
Манганин (сплав меди марганца и никеля — приборный)	0,43–0,51
Медь	0,0175
Молибден	0,059
Нейзильбер (сплав меди, цинка и никеля)	0,2
Натрий	0,047
Никелин (сплав меди и никеля)	0,42
Никель	0,087
Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца)	1,05–1,4
Олово	0,12
Платина	0,107
Ртуть	0,94
Свинец	0,22
Серебро	0,015
Сталь	0,103–0,137
Титан	0,6
Хромаль	1,3–1,5
Цинк	0,054
Чугун	0,5–1,0

Резистор

Все реальные проводники имеют сопротивление, но его стараются сделать незначительным. В задачах вообще используют словосочетание «идеальный проводник», а значит лишают его сопротивления.

Из-за того, что проводник у нас «кругом-бегом-такой-идеальный», чаще всего за сопротивление в цепи отвечает резистор. Это устройство, которое нагружает цепь сопротивлением.

Вот так резистор изображается на схемах:

В школьном курсе физики используют европейское обозначение, поэтому запоминаем только его. Американское обозначение можно встретить, например, в программе Micro-Cap, в которой инженеры моделируют схемы.

Вот так резистор выглядит в естественной среде обитания:

Полосочки на нем показывают его сопротивление.

На сайте компании Ekits, которая занимается продажей электронных модулей, можно выбрать цвет резистора и узнать значение его сопротивления:

Источник: сайт компании Ekits

О том, зачем дополнительно нагружать сопротивлением цепь, мы поговорим в этой же статье чуть позже.

Реостат

Есть такие выключатели, которые крутишь, а они делают свет ярче-тусклее. В такой выключатель спрятан резистор с переменным сопротивлением — реостат.

Стрелка сверху — это ползунок. По сути, он отсекает ту часть резистора, которая находится от него справа. То есть, если мы двигаем ползунок вправо — мы увеличиваем длину резистора, а значит и сопротивление. И наоборот — двигаем влево и уменьшаем.

По формуле сопротивления это очень хорошо видно, так как длина проводника находится в числителе:

Сопротивление R = ρ · l/S R — сопротивление [Ом] l — длина проводника [м] S — площадь поперечного сечения [мм2] ρ — удельное сопротивление [Ом · мм2/м]

Закон Ома для участка цепи

С камушками в трубе все понятно, но не только же от них зависит сила, с которой поток воды идет по трубе — от насоса, которым мы эту воду качаем, тоже зависит. Чем сильнее качаем, тем больше течение. В электрической цепи функцию насоса выполняет источник тока.

Например, источником может быть гальванический элемент (привычная батарейка). Батарейка работает на основе химических реакций внутри нее. В результате этих реакций выделяется энергия, которая потом передается электрической цепи.

У любого источника обязательно есть полюса — «плюс» и «минус». Полюса — это его крайние положения, по сути клеммы, к которым присоединяется электрическая цепь. Собственно, ток как раз течет от «+» к «−».

У нас уже есть две величины, от которых зависит электрический ток в цепи — напряжение и сопротивление. Кажется, пора объединять их в закон.

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Математически его можно описать вот так:

Закон Ома для участка цепи I = U/R I — сила тока [A] U — напряжение [В] R — сопротивление [Ом]

1. Напряжение измеряется в Вольтах и показывает разницу между двумя точками цепи: от этой разницы зависит, насколько сильно будет течь ток — чем больше разница, тем выше напряжение и ток будет течь сильнее.
2. Сила тока измеряется в амперах, а подробнее о ней вы можете прочитать в нашей статье. ????
3. Давайте решим несколько задач на закон Ома для участка цепи.
4. Задача раз
5. Найти силу тока в лампочке накаливания торшера, если его включили в сеть напряжением 220 В, а сопротивление нити накаливания равно 880 Ом.
6. Решение:
7. Возьмем закон Ома для участка цепи:
8. I = U/R
9. Подставим значения:
10. I = 220/880 = 0,25 А
11. Ответ: сила тока, проходящего через лампочку, равна 0,25 А

Давайте усложним задачу. И найдем силу тока, зная все параметры для вычисления сопротивления и напряжение.

• Задача два
• Найти силу тока в лампочке накаливания, если торшер включили в сеть напряжением 220 В, а длина нити накаливания равна 0,5 м, площадь поперечного сечения 0,01 мм2, а удельное сопротивление нити равно 1,05 Ом · мм2/м.
• Решение:
• Сначала найдем сопротивление проводника.
• R = ρ · l/S
• Площадь дана в мм2, а удельное сопротивления тоже содержит мм2 в размерности.
• Это значит, что все величины уже даны в СИ и перевод не требуется:
• R = 1,05 · 0,5/0,01 = 52,5 Ом
• Теперь возьмем закон Ома для участка цепи:
• I = U/R
• Подставим значения:
• I = 220/52,5 ≃ 4,2 А
• Ответ: сила тока, проходящего через лампочку, приблизительно равна 4,2 А

А теперь совсем усложним! Определим материал, из которого изготовлена нить накаливания.

1. Задача три
2. Из какого материала изготовлена нить накаливания лампочки, если настольная лампа включена в сеть напряжением 220 В, длина нити равна 0,5 м, площадь ее поперечного сечения равна 0,01 мм2, а сила тока в цепи — 8,8 А
3. Решение:
4. Возьмем закон Ома для участка цепи и выразим из него сопротивление:
5. I = U/R
6. R = U/I
7. Подставим значения и найдем сопротивление нити:
8. R = 220/8,8 = 25 Ом
9. Теперь возьмем формулу сопротивления и выразим из нее удельное сопротивление материала:
10. R = ρ · l/S
11. ρ = RS/l
12. Подставим значения и получим:
13. ρ = 25 · 0,01/0,5 = 0,5 Ом · мм2/м
14. Обратимся к таблице удельных сопротивлений материалов, чтобы выяснить, из какого материала сделана эта нить накаливания.
15. Ответ: нить накаливания сделана из константана.

Закон Ома для полной цепи

Мы разобрались с законом Ома для участка цепи. А теперь давайте узнаем, что происходит, если цепь полная: у нее есть источник, проводники, резисторы и другие элементы.

В таком случае вводится закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению.

Так, стоп. Слишком много незнакомых слов — разбираемся по порядку.

Что такое ЭДС и откуда она берется

ЭДС расшифровывается, как электродвижущая сила. Обозначается греческой буквой ε и измеряется, как и напряжение, в Вольтах.

ЭДС — это сила, которая движет заряженные частицы в цепи. Она берется из источника тока. Например, из батарейки.

Химическая реакция внутри гальванического элемента (это синоним батарейки) происходит с выделением энергии в электрическую цепь. Именно эта энергия заставляет частицы двигаться по проводнику.

Зачастую напряжение и ЭДС приравнивают и говорят, что это одно и то же. Формально, это не так, но при решении задач чаще всего и правда нет разницы, так как эти величины обе измеряются в Вольтах и определяют очень похожие по сути своей процессы.

В виде формулы Закон Ома для полной цепи будет выглядеть следующим образом:

Закон Ома для полной цепи I — сила тока [A] ε — ЭДС [В] R — сопротивление нагрузки [Ом] r — внутреннее сопротивление источника [Ом]

Любой источник не идеален. В задачах это возможно («источник считать идеальным», вот эти вот фразочки), но в реальной жизни — точно нет. В связи с этим у источника есть внутреннее сопротивление, которое мешает протеканию тока.

1. Решим задачу на полную цепь.
2. Задачка
3. Найти силу тока в полной цепи, состоящей из одного резистора сопротивлением 3 Ом и источником с ЭДС равной 4 В и внутренним сопротивлением 1 Ом
4. Решение:
5. Возьмем закон Ома для полной цепи:
6. Подставим значения:
7. A
8. Ответ: сила тока в цепи равна 1 А.

Когда «сопротивление бесполезно»

Электрический ток — умный и хитрый парень. Если у него есть возможность обойти резистор и пойти по идеальному проводнику без сопротивления, он это сделает. При этом с резисторами просто разных номиналов это не сработает: он не пойдет просто через меньшее сопротивление, а распределится согласно закону Ома — больше тока пойдет туда, где сопротивление меньше, и наоборот.

А вот на рисунке ниже сопротивление цепи равно нулю, потому что ток через резистор не пойдет.

Ток идет по пути наименьшего сопротивления.

Теперь давайте посмотрим на закон Ома для участка цепи еще раз.

Закон Ома для участка цепи I = U/R I — сила тока [A] U — напряжение [В] R — сопротивление [Ом]

Подставим сопротивление, равное 0. Получается, что знаменатель равен нулю, а на математике говорят, что на ноль делить нельзя. Но мы вам раскроем страшную тайну, только не говорите математикам: на ноль делить можно. Если совсем упрощать такое сложное вычисление (а именно потому что оно сложное, мы всегда говорим, что его нельзя производить), то получится бесконечность.

То есть:

I = U/0 = ∞

Такой случай называют коротким замыканием — когда величина силы тока настолько велика, что можно устремить ее к бесконечности. В таких ситуациях мы видим искру, бурю, безумие — и все ломается.

Это происходит, потому что две точки цепи имеют между собой напряжение (то есть между ними есть разница). Это как если вдоль реки неожиданно появляется водопад. Из-за этой разницы возникает искра, которую можно избежать, поставив в цепь резистор.

Именно во избежание коротких замыканий нужно дополнительное сопротивление в цепи.

Параллельное и последовательное соединение

Все это время речь шла о цепях с одним резистором. Рассмотрим, что происходит, если их больше.

Электрический ток в металлах

Определение 1

Электрическим током в металлах называют упорядоченное движение электронов под действием электрического поля.

Исходя из опытов, видно, что металлический проводник вещество не переносит, то есть ионы металла не участвуют в передвижении электрического заряда.

Носители тока в металлах

При исследованиях были получены доказательства электронной природы тока в металлах. Еще в 1913 году Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси выдали первые качественные результаты. А в 1916 году Р. Толмен и Б. Стюарт модернизировали имеющуюся методику и выполнили количественные измерения, которые доказывали, что движение электронов происходит под действием тока в металлических проводниках.

Рисунок 1.12.1 показывает схему Толмена и Стюарта. Катушка, состоящая из большого количества витков тонкой проволоки, приводилась в действие при помощи вращения вокруг своей оси.

Ее концы были прикреплены к баллистическому гальванометру Г. Производилось резкое торможение катушки, что было следствием возникновения кратковременного тока, обусловленного инерцией носителя заряда.

Измерение полного заряда производилось при помощи движения стрелок гальванометра.

Рисунок 1.12.1. Схема опыта Толмена и Стюарта.

Во время торможения вращающейся катушки сила F=-mdυdt, называемая тормозящей, действовала на каждый носитель заряда е. F играла роль сторонней силы, иначе говоря, неэлектрического происхождения. Именно эта сила, характеризующаяся единицей заряда, является напряженностью поля сторонних сил Eст  :

• Eст=-medυdt.
• То есть при торможении катушки происходит возникновение электродвижущей силы δ, равной δ=Eстl=medυdtl, где l – длина проволоки катушки. Определенный промежуток времени процесса торможения катушки обусловлен протеканием по цепи заряда q:
• q=∫Idt=1R∫δdt=melυ0R.
• Данная формула объясняет, что l – это мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, υ0 – начальная линейная скорость проволоки. Видно, что определение удельного заряда em в металлах производится, исходя из формулы:
• em=lυ0Rq.

Величины, находящиеся с правой стороны, можно измерить. Основываясь на результатах опытов Толмена и Стюарта, установили, что носители свободного заряда имеют отрицательный знак, а отношение носителя в его массе близко по значению удельного заряда электрона, получаемого в других опытах. Было выявлено, что электроны – это носители свободных зарядов.

Современные данные показывают, что модуль заряда электрона, то есть элементарный заряд, равняется e=1,60218·10-19 Кл, а обозначение его удельного заряда – em=1,75882·1011 Кл/кг.

При наличии отличной концентрации свободных электронов есть смысл говорить о хорошей электропроводимости металлов. Это выявили еще перед опытами Толмена и Стюарта. В 1900 году П. Друде, основываясь на гипотезе о существовании свободных электронов в металлах, создал электронную теорию проводимости металлов. Ее развил и расширил Х.

Лоренц, после чего она получила название классическая электронная теория. На ее основании поняли, что электроны ведут себя как электронный газ, похожий на идеальный по своему состоянию. Рисунок 1.12.2 показывает, каким образом он может заполнить пространство между ионами, которые уже образовали кристаллическую решетку металла.

Рисунок 1.12.2. Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из 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 м/с.

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.

1. Тогда I=∆q∆t=enSυд или υд=IenS.
2. Концентрация n атомов в металлах находится в пределах 1028-1029м-3.
3. Формула дает возможность оценить среднюю скорость υд¯ упорядоченного движения электронов со значением в промежутке 0,6-6 мм/с 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.

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 м/с. 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.

Закон Ома

Определение 5

В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равняющаяся по модулю eE, в результате чего получает ускорение emE.

Конец свободного пробега характеризуется дрейфовой скоростью электрона, которую определяют по формуле

υд=υдmax=eEmτ.

Время свободного пробега обозначается τ. Оно способствует упрощению расчетов для нахождения значения всех электронов. Средняя скорость дрейфа υд равняется половине максимального значения:

• υд=12υдmax=12eEmτ.
• Если имеется проводник с длиной l, сечением S с концентрацией электронов n, тогда запись нахождения тока в проводнике имеет вид:
• I=enSυд=12e2τnSmE=e2τnS2mlU.

U=El – это напряжение на концах проводника. Формула выражает закон Ома для металлического проводника. Тогда электрическое сопротивление необходимо находить:

1. R=2me2nτlS.
2. Удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются как:
3. ρ=2me2nτ; ν=1ρ=e2nτ2m.

Закон Джоуля-Ленца

Конец пробега электронов под действием поля характеризуется кинетической энергией

12m(υд)max2=12e2τ2mE2.

Определение 6

Исходя из предположений, энергия при соударениях передается решетке, а в последствии переходит в тепло.

Время ∆t каждого электрона испытывается ∆tτ соударений. Проводник с сечение S и длиной l имеет nSl электронов. Тогда выделившееся тепло в проводнике за ∆t равняется

∆Q=nSl∆tτe2τ22mE2=ne2τ2mSlU2∆t=U2R∆t.

Данное соотношение выражает закон Джоуля-Ленца.

Благодаря классической теории, имеет место трактовка существования электрического сопротивления металлов, то есть законы Ома и Джоуля-Ленца. Классическая электронная теория не в состоянии ответить на все вопросы.

Она не способна объяснить разницу в значении молярной теплоемкости металлов и диэлектрических кристаллов, равняющейся 3R, где R записывается как универсальная газовая постоянная. Теплоемкость металла не зависит от количества свободных электронов.

Классическая электронная теория не объясняет температурную зависимость удельного сопротивления металлов. По теории ρ~T, а исходя из экспериментов – ρ~T. Примером расхождения теории с практикой служит сверхпроводимость.

Сопротивление металлического проводника

Исходя из классической теории, удельное сопротивление металлов должно постепенно уменьшаться при понижении температуры, причем остается конечным при любой T. Данная зависимость характерна для проведения опытов при высоких температурах. Если T достаточно низкая, тогда удельное сопротивление металлов теряет зависимость от температуры и достигает предельного значения.

Особый интерес представило явление сверхпроводимости. В 1911 году его открыл Х. Каммерлинг-Оннес.

Теорема 2

Если имеется определенная температура Tкр, различная для разных веществ, тогда удельное сопротивление уменьшается до нуля с помощью скачка, как изображено на рисунке 1.12.4.

Пример 1

Критической температурой для ртути считается значение 4,1 К, для алюминия – 1,2 К, для олова – 3,7 К. Наличие сверхпроводимости может быть не только у элементов, но и у химических соединений и сплавов.

Ниобий с оловом Ni3Snимеют критическую точку температуры в 18 К. Существуют вещества, которые при низкой температуре переходят в сверхпроводящее состояние, тогда как в обычных условиях ими не являются.

Серебро и медь являются проводниками, но при понижении температуры сверхпроводниками не становятся.

Рисунок 1.12.4. Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник.

Сверхпроводящее состояние говорит об исключительных свойствах вещества. Одним из важнейших является способность на протяжении длительного времени поддерживать электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи, без затухания.

Классическая электронная теория не может объяснить сверхпроводимость. Это стало возможным спустя 60 лет после его открытия, основываясь на квантово-механических представлениях.

Рост интереса к данному явлению увеличивался по мере появления новых материалов, способных обладать высокими критическими температурами. В 1986 было обнаружено сложное соединение с температурой Tкр=35 К. На следующий год сумели создать керамику с критической Т в 98 К, которая превышала Т жидкого азота (77 К).

Определение 7

Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при Т, превышающих температуру кипения жидкого азота, называют высокотемпературной сверхпроводимостью.

Позже в 1988 году создали Tl-Ca-Ba-Cu-O соединение с критической Т, достигающей 125 К. На данный момент ученые заинтересованы в поиске новых веществ с наиболее высокими значениями Tкр.

Они рассчитывают на получение сверхпроводящего вещества при комнатной температуре. Если это будет сделано, произойдет революция в науке и технике.

До настоящего времени все свойства и механизмы состава сверхпроводимых керамических материалов до конца не исследованы.

Электрическое сопротивление — урок. Физика, 8 класс

Электрическое сопротивление характеризует способность электрического проводника препятствовать прохождению электрического тока.

Электрическое сопротивление обозначается буквой R. Единицей сопротивления является ом (Ом).

Закон Ома

Сила тока (I) прямо пропорциональна напряжению (U). Это означает следующее: во сколько раз изменяется напряжение, во столько раз изменяется и сила тока.Сила тока (I) обратно пропорциональна электрическому сопротивлению (R). Поэтому чем больше сопротивление, тем меньше сила тока, протекающего в проводнике.

 I=UR

Причиной электрического сопротивления является тепловое движение образующих материал атомов или молекул. Частицы колеблются около своих мест и мешают перемещению электронов. Это можно сравнить с длинным коридором, в котором одновременно перемещается много людей. И насколько быстро можно двигаться вперед, зависит от различных причин.

Электрическое сопротивление характерно для всех веществ и зависит от: 

Материала проводника тока ρ	Длины проводника (l)	Площади поперечного сечения проводника (S)
Для каждого материала характерно его удельное сопротивление, которое обозначают буквой ρ и которое можно найти в таблице удельных сопротивлений.	Чем длиннее проводник электричества, тем больше его электрическое сопротивление.	Чем меньше площадь поперечного сечения проводника электричества, тем больше электрическое сопротивление.
Пример с коридором:движение вперёд зависит от того, сколько людей в нём находится, как каждый из них двигается, насколько они полные или худые.	Пример с коридором:чем длиннее коридор, тем дольше и труднее путь.	Пример с коридором:чем уже коридор, тем труднее пробираться сквозь толпу людей.

Удельное сопротивление металлов небольшое, а изоляторов — очень большое. В цепях, в которых электрический ток должен производить большую теплоту (например, в обогревателях), используют проводники с большим удельным сопротивлением, например, нихром. Току труднее течь, увеличивается тепловое движение частиц, в результате проводник нагревается. У алюминия низкое удельное сопротивление, поэтому его можно использовать для передачи электроэнергии.

Электрическое сопротивление человеческого тела может изменяться от 20000 Ом до 1800 Ом.

Чтобы электрическая цепь обеспечивала необходимую силу тока, в неё включают резисторы.

Резистор — прибор с постоянным сопротивлением. 

Резисторы имеются во всех телевизорах, компьютерах, радиоприёмниках и т.д.

Чтобы изменить силу тока в электрической цепи, используют реостаты.

Реостат — прибор с переменным сопротивлением.

В составе реостата имеется подвижный контакт, при помощи которого изменяется длина  участка, включённого в цепь.

Реостат используется, например, в регуляторах громкости радиоприёмников.

Резисторы	Реостаты

Механизмы электропроводности

Существует классификация веществ в зависимости от их проводимости. Так, к проводникам относят вещества, удельная проводимость которых лежит в диапазоне ${10}^6-{10}^8frac{См}{м}$, к диэлектрикам вещества с удельной проводимостью меньше ${10}^{-6}frac{См}{м}$ .

Полупроводники лежат внутри этого диапазона, их проводимость может быть от ${10}^{-4} до$ ${10}^4frac{См}{м}$. Такая классификация весьма условна и неточна. Так, у полупроводника с ростом температуры проводимость растет и при комнатной температуре может быть такой же, как и у проводника.

При температурах около абсолютного нуля полупроводники являются диэлектриками. К проводникам относят, прежде всего, металлы.

Механизм электропроводности в металлах

Задолго до открытия электронов было экспериментально показано, что прохождение тока в металлах не связано с переносом вещества, атомы и молекулы металлов не принимают участия в переносе тока.

Атомы металла, находящегося в твёрдом (или жидком) состоянии, расщепляются на несколько электронов и положительный ион. Ионы находятся в узлах кристаллической решетки и совершают колебания около положения равновесия. Они составляют «твердый скелет» металлического тела.

Электроны же пребывают в свободном беспорядочном движении в промежутках между ионами и составляют так называемый «электронный газ». При отсутствии внешнего электрического поля электроны совершают хаотичное, тепловое движение.

Внешнее поле ведет к упорядочению движения электронов, то есть возникновению электрического тока. Электроны в процессе движения сталкиваются с ионами кристаллической решетки, передают ионам избыток кинетической энергии, которую они получили при взаимодействии с полем.

Это приводит к интенсификации колебаний ионов, то есть нагреванию металла.

Все металлы не только хорошие проводники электрического тока, но и имеют высокую теплопроводность.

С точки зрения представления о механизме тока в металлах, это совпадение объясняется не просто случайностью, а является следствием одной общей причины — наличием в металлах свободных электронов.

В металлах теплопередача происходит не только посредством столкновения атомов, но и свободными, легко подвижными электронами, которые переносят дополнительную энергию в веществе.

Прямое доказательство того, что носителями тока в металлах являются электроны дали опыты Р.Ч. Толмена. Он измерил силу электрического тока, который появляется в металле, когда металлическому телу сообщают ускорение. Возникновение тока вызывается отставанием электронов от движения кристаллической решетки вещества.

То, что в проводниках существуют свободные электроны, объясняют тем, что при образовании кристаллической решетки от атомов металла отделяются валентные (самые слабо связанные) электроны, которые становятся общей собственностью всего вещества.

Механизм электропроводности полупроводников

Особый интерес представляют электронные полупроводники. В таких полупроводниках носителями тока являются, как и в металлах, электроны. Различие в проводимости металлов и полупроводников связано с очень большой разницей в концентрации носителей тока.

В полупроводниках концентрация электронов в свободном состоянии в тысячи раз меньше, чем в металлах. В полупроводнике постоянно идут два противоположных процесса: процесс освобождения электронов, при этом используется внутренняя или световая энергия; процесс воссоединения с ионом, который потерял свой электрон.

Равновесие между свободными и связанными электронами динамическое. Для того чтобы в полупроводнике перевести электрон из связанного состояния в свободное, необходимо сообщить ему дополнительную энергию. В металлах даже при низких температурах количество свободных электронов велико.

Силы межмолекулярного взаимодействия в металлах достаточно для освобождения части электронов.

Сравнительно немногочисленные свободные электроны полупроводника, оторвались от атомов, при этом атомы стали ионами. Каждый ион окружен большим количеством атомов, которые не заряжены. Нейтральные атомы могут отдать свой электрон иону, превращаясь в ион, а ион становится нейтральным.

Так, обмен электронами ведет к изменению местоположения положительных ионов в полупроводнике, то есть положительный заряд перемещается.

До тех пор пока на полупроводник внешнего поля нет в среднем каждому электрону, который смещается в одном направлении, соответствует перемещение электрона в противоположном направлении. Аналогичный процесс идет с положительным зарядом.

При наложении внешнего поля процессы получают преимущественное направление: свободные электроны движутся в направлении противоположном полю, положительные места — по полю. Возникает ток одного направления (по полю), проводимость вызывается этими двумя процессами.

Место, где вместо нейтрального атома имеется положительный ион, называют дыркой. Надо отметить, что фактически всегда имеет место только движение электронов, но движение связанных электронов от атомов к ионам ведет к результату, при котором будто бы движутся дырки, которые имеют положительный заряд.

Механизм электропроводности полупроводников описывает зонная теория. Она базируется на анализе энергетического спектра электронов. Электронный спектр разбивается на зоны, разделенные запрещенными промежутками.

В том случае, если в верхней зоне имеющей электроны, ими заполнены не все квантовые состояния, то есть в пределах зоны имеется возможность перераспределения энергии и импульсов электронов, то данное вещество является проводником электрического тока.

Движение электронов в зоне проводимости подчиняются квантовым законам.

Интерпретация разных свойств вещества с точки зрения движения и существования электронов является содержанием электронной теории. В классической теории металлов считают, что движение электрона описывают законы Ньютоновой механики.

В этой теории считают, что взаимодействие электронов между собой несущественно, а взаимодействие ионов и электронов осуществляется только как соударения. Это значит, что электроны проводимости рассматривают как электронный газ, который подобен идеальному одноатомному газу.

Такой газ хорошо изучен и его свойства описаны. В частности он подчиняется закону равномерного распределения энергии по степеням свободы.

В соответствии с этим законом средняя кинетическая энергия теплового движения, которая приходится на каждую степень свободы, равна $frac{1}{2}kT$, где $k=1,38cdot {10}^{-23}frac{Дж}{К}$, $T$ — термодинамическая температура. Средняя энергия теплового движения одного электрона равна:

[frac{mleftlangle v^2_T
ight
angle }{2}=frac{3}{2}kTleft(1
ight),]

где $leftlangle v^2_T
ight
angle $- среднее значение квадрата скорости теплового движения.

Классическая электронная теория качественно объясняет многие законы электрического тока.

Пример 1

• Задание: Чему равна концентрация свободных электронов, если от каждого атома отщепился один электрон.
• Решение:
• Если от каждого атома отщепился один электрон, концентрация свободных электронов равна числу атомов в единице объема ($n$):

[n=frac{
ho }{mu }N_{A }left(1.1
ight),]

где $
ho $ — плотность металла, $mu $ — молярная масса вещества, $N_{A }=6cdot {10}^{23}моль^{-1}$ — число Авогадро. Для металлов значения $frac{
ho }{mu }$ для металлов равны: калий$: frac{{
ho }_1}{{mu }_1}$=$2cdot {10}^4frac{моль}{м^3}$, бериллий:$ frac{{
ho }_2}{{mu }_2}$=$2cdot {10}^5frac{моль}{м^3}$.

Тогда концентрация свободных электронов проводимости будут иметь значения порядка:

[napprox {10}^{28}-{10}^{29}м^{-3}]

Ответ: $napprox {10}^{28}-{10}^{29}м^{-3}$.

Пример 2

Задание: Чему равна подвижность электронов в калии? Удельная проводимость металлов равна $sigma ={10}^6frac{См}{м}.$

1. Решение:
2. Подвижностью электронов ($b$) является отношение скорости дрейфа ($v_d$) к напряженности электрического поля (E):
3. Закон Ома:
4. можно записать в виде:

[b=frac{v_d}{E}left(2.1
ight).] [overrightarrow{j}=sigma overrightarrow{E}(2.2)] [nq_ev_d=sigma Eleft(2.3
ight),]

где $n$ — концентрация электронов проводимости, $q_e=1,6cdot {10}^{-19}Кл$ — заряд электрона, $sigma $ — удельная проводимость. Используя (2.1) и (2.3) выразим подвижность:

[b=frac{v_dsigma }{nq_ev_d}=frac{sigma }{nq_e}.]

Используем результат первого примера, концентрация свободных электронов в калии равна $n={10}^{28}м^{-3}$. Проведем вычисления:

[b=frac{{10}^6}{{10}^{28}cdot 1,6cdot 10^{-19}}approx 10^{-3}(frac{м^2}{Вcdot с}).]

Ответ: $b=10^{-3}frac{м^2}{Вcdot с}.$

Электрическое сопротивление металлов

Лучшими проводниками являются металлы. В атомах металлов внешние электроны слабо связаны со своими атомами и поэтому отрываются от них и «обобществляются», становясь принадлежностью всего образца, то есть свободными электронами.

Свободные электроны образуют «электронный газ», окружающий кристаллическую решетку из положительных ионов металла.

Ученые предположили, что электрическое сопротивление металлов обусловлено столкновениями свободных электронов с ионами кристаллической решетки.

Однако это предположение не соответствовало опыту: измеренное сопротивление оказалось в тысячи раз меньше расчетного. Малое удельное сопротивление металлов указывало на то, что свободные электроны движутся сквозь металл почти без столкновений, как бы «не замечая» кристаллической решетки. Другими словами, свободные электроны оказались гораздо более «свободными», чем предполагалось.

Такое поведение свободных электронов больше напоминало движение волн, чем движение частиц: электроны как бы плавно «обтекали» ионы кристаллической решетки. И дальнейшее изучение показало, что такое «волновое» поведение электронов не случайно — выяснилось, что им объясняется также строение атома (более подробно мы расскажем об этом в § 29. Квантовая механика).

Расчеты, выполненные с учетом волновых свойств электронов, привели к настолько необычному предсказанию, что в него трудно было поверить.

Согласно этим расчетам получалось, что если бы кристаллическая решетка металла была идеально периодической, электронная волна проходила бы сквозь кристалл, вообще не отклоняясь от своего направления — как сквозь пустоту.

А в таком случае электрическое сопротивление металла должно было бы равняться нулю. И такое, равное нулю, сопротивление действительно было обнаружено на опыте! Об этом мы расскажем чуть позже.

В реальном кристалле кристаллическая решетка не является идеально периодической: периодичность нарушают примеси и дефекты решетки, а также отклонения ионов от своих равновесных положений вследствие тепловых колебаний.

Из-за наличия «нерегулярностей» решетки электронная волна рассеивается, то есть направление ее движения изменяется. Расчеты, сделанные в предположении, что это и является причиной электрического сопротивления металлов, оказались в согласии с опытом.

• Как зависит удельное сопротивление металлов от температуры?

Статьи энциклопедии

• Электрическое сопротивление металлов