Чем обусловлена электропроводность металлов в химии

Чем обусловлена электропроводность металлов в химии

Электропроводность металлов

Переходим теперь к рассмотрению электрических свойств твердого тела. Из этой области наибольшее развитие получила теория электропроводности металлов.

Уже в 1898 г. Э. Рикке предположил, что молекулы металла частично диссоциированы и в пространстве между молекулами имеются положительно и отрицательно заряженные частички. Поведение этих частиц определяется законами кинетической теории газов, однако плотность их настолько мала, что в расчет принимаются только их столкновения с молекулами металла, но не столкновения их между собой. Ток представляет упорядоченный поток этих частиц: положительно заряженных по направлению поля, отрицательно заряженных против поля. Существованием таких частиц Рикке объяснял и контактную разность потенциалов.

Рикке пытался выяснить, происходит ли перенос вещества в металлах током, обусловленным движением этих частиц. С этой целью он пропускал довольно сильный ток (около 10 ампер) в течение нескольких лет через цепь, составленную из кусков золота и серебра, плотно прилегающих друг к другу. Он не обнаружил никакого проникновения атомов золота в серебро и наоборот. Таким образом, носители электрического тока в металле являются не ионами, как в электролитах, а частицами, не связанными с массами обычных атомов.

В 1900 г. теорию электропроводности металлов развил Пауль Друде. Друде принимает, что электропроводность металлов обусловлена наличием свободных электронов. Однако наряду с отрицательными электронами он допускает и наличие положительных электронов, причем ток создается совместным направленным движением электронов обоего рода в противоположных направлениях. Друде применяет к электронам выводы классической теории газов (электронный газ) и принимает, что вследствие взаимных столкновений электронов между собой они в среднем получают одинаковую кинетическую энергию, пропорциональную абсолютной температуре

т. е. закон Ома: j = kE, где коэффициент электропроводности

Отсюда Друде находит соотношение между теплопроводностью К и электропроводностью k:

С помощью представления о свободных электронах Томсон получает объяснение термоэлектрических явлений (явления Пельтье и Томсона), а также явления Холла. Но в последнем случае встречается одно затруднение: явление Холла в различных веществах имеет разный знак. Друде обходил это затруднение, предполагая существование двух родов носителей тока: отрицательных и положительных. В зависимости от природы вещества в нем может преобладать либо ток отрицательного, либо ток положительного электричества (прообраз современной электронной и «дырочной» проводимости). Однако Томсон, принимая за носителей тока только отрицательно заряженные корпускулы, отклоняет эту теорию. Причину различия эффекта Холла он усматривает в неодинаковости действия магнитного поля на корпускулы во время их свободного движения и во время их столкновения. Последнее действие в зависимости от природы молекул может совпадать с действием на корпускулу при свободном движении, а может быть и прямо противоположным. Вместе с тем Томсон указывает, что применять образы кинетической теории газов к металлам следует с большой осторожностью; строение куска металла резко отличается от строения газов. «Кусок металла, по-видимому, представляет собой агрегат большого числа маленьких кристаллов»,- пишет Томсон.

Томсон останавливается также и на теории теплового излучения электронами, движущимися в металле. Эта теория была предложена Лоренцем и о ней говорилось в шестой главе.

По второй теории Томсона проводимость обусловлена переходом корпускулы вдоль цепочки поляризованных атомов от одного атома к другому. По этой теории отношение теплопроводности к электропроводности равно

В 1903 г. Г. А. Лоренц опубликовал статью «Об испускании и поглощении металлами тепловых лучей больших длин волн», на результаты которой и ссылается Д. Д. Томсон в своей теории проводимости в 1906 г. в книге «Корпускулярная теория материи». Выше мы приводили этот результат, который является не чем иным, как законом Рэлея-Джинса. В этой статье Лоренц исходит из теории проводимости Рикке-Друде и опытов Гагена и Рубенса 1903 г. по отражательной способности металлов для лучей длин волн более 8μ. Из этих опытов следует, что поведение металлов при отражении таких волн определяется только их проводимостью. Лоренц кратко излагает суть теории Друде и приводит его выражение для электропроводности, на которое он и опирается в последующих расчетах излучательной и поглощательной способности металлов. В 1905 г. Лоренц развивает дальше кинетическую теорию электропроводности, предполагая, что распределение тепловых скоростей электронов подчиняется закону Максвелла. Он получает при этом выражение для коэффициента электропроводности в виде

Закон Видемана-Франца в теории Лоренца имеет вид

Лоренц так же, как и Томсон, прилагает свою теорию к термоэлектрическим явлениям, объясняя и явление Пельтье, и явление Томсона.

Камнем преткновения для теории свободных электронов в металле было явление Холла, которое, как кажется, говорит в пользу гипотезы двух родов носителей тока. 17 апреля 1906 г. Лоренц прочитал лекцию «О положительных и отрицательных электронах» в Американском философском обществе в Филадельфии, основанном Б. Франклином. Разбирая гипотезу двух родов электричества, Лоренц приходит к выводу, что она противоречит второму закону термодинамики и, следовательно, электрический ток в металле обусловлен движением частиц одного рода, отрицательно заряженных электронов. Свою лекцию Лоренц заканчивает следующими словами: «Поскольку эффект Холла на первый взгляд кажется очень сильно благоприятствующим теории двух флюидов, мы должны исследовать, не может ли он быть объяснен движением только отрицательных электронов. Если мы преуспеем в этом, проникнув возможно глубже в механизм явления. то мы после всего придем к системе объяснения, значительно напоминающей франклинову унитарную теорию электричества».

Х. Каммерлинг-Оннес в своей лаборатории

Гелиевый ожижитель Каммерлинг-Оннеса показан на рисунке. Жидкий водород непрерывно переливается сифоном из градуированного сосуда Ga. Гелий подавался компрессором под давлением 100 атмосфер и последовательно

Каммерлинг-Оннес получил с этим аппаратом при первом опыте 60 кубических сантиметров жидкого гелия.

Явление сверхпроводимости поставило теорию электронного газа перед чрезвычайными трудностями. Вин в 1913 г. пришел к выводу, что «электронная теория металла должна быть построена на существенно новой основе». Он предположил, что скорость свободных электронов совершенно не зависит от температуры. При правильной кристаллической решетке ее проводимость должна быть бесконечной, что соответствует опытам Каммерлинг-Оннеса. Тепловые колебания атомов нарушают эту правильность и сопротивление становится конечным. Столкновение электронов с атомами вещества производит поглощение или излучение кванта энергии. Рассчитывая сопротивление металла, Вин приходит к формуле

За год до публикации теории Томсона был опубликован в неоднократно упоминавшихся нами геттингенских докладах по теории материи и электричества доклад Г. А. Лоренца «Применение кинетической теории к движению электронов». Упомянув о теориях электропроводности Рикке, Друде и своей, в которых использовалось представление о свободных электронах со средней энергией 3 /₂kT, и об их успехах, Лоренц продолжал:

Схема аппарата для снижения гелия Каммерлинг-Оннеса

«Но постепенно им (т. е. этим теориям) стали противостоять значительные трудности, которые стимулировали предложение радикальных изменений. В недавно опубликованной работе (Лоренц имеет в виду появившуюся в 1913 г. работу Вина «К теории электрической проводимости в металлах») Вин идет даже так далеко, что полностью отказывается от представления о собственном тепловом движении, поскольку он приписывает электронам только скорость, не зависящую от температуры.» Вин исходил из того факта, что теория электронного газа приводит к неверному закону Рэлея для теплового излучения. В связи с этим Лоренц замечает, что тепловое излучение возникает в процессе изменения скорости электрона при столкновении с атомами металла. Но механизм столкновения электрона с атомом еще неясен, и Лоренц выражает надежду, «что квантовой теории, коль скоро она введет подходящие представления для механизма столкновения, когда-нибудь удастся добиться удовлетворительного объяснения теплового излучения».

Вместе с тем Лоренц приводит аргументы в пользу гипотезы о свободных электронах в металле, скорость которых зависит от температуры. Так, он указывает, что анализ поведения электрона в поле черного излучения, сделанный им на Сольвеевском конгрессе 1911 г. и Фоккером в диссертации 1913 г., показывает, что средняя кинетическая энергия электрона в этом поле действительно пропорциональна температуре, хотя коэффициент пропорциональности получается меньше 3 /₂ примерно в 24 раза. Он ссылается также на опыты Ричардсона по определению кинетической теории электронов, испускаемых нагретыми металлами, которые показывают, что находящиеся внутри металла свободные электроны обладают в среднем кинетической энергией 3 /₂kT. Тем самым доказывается, что электроны в металле участвуют в тепловом движении. Вместе с тем значение теплоемкости металла при обычных температурах указывает на незначительность вклада электронов в эту теплоемкость. Поэтому Лоренц предполагает, что число свободных электронов в металле очень незначительно по сравнению с числом атомов. Остальные электроны следует считать неподвижными или, во всяком случае, обладающими кинетической энергией, значительно меньшей, чем 3 /₂kT. Далее, Лоренц, ссылаясь на свою работу «О положительных и отрицательных электронах» (см. выше), указывает, что предположение о нескольких видах носителей тока противоречит второму закону термодинамики и что носителями тока являются только электроны. Он рассматривает затем механизм столкновения электронов с атомами. При этом он делает важное предположение, что электрон после столкновения покидает атом с той же скоростью, какой он обладал до столкновения. Направление же скорости остается совершенно неопределенным. Вполне возможно, что электрон при столкновении застревает в атоме, а взамен его атом испускает другой электрон с той же скоростью. Эта картина взаимодействия электронов с атомами напоминает позднейшие представления о столкновениях частиц с ядрами атомов.

Неопределенность направления скорости электронов после соударения приводит к тому, что в отличие от прежних теорий соотношение между теплопроводностью и электропроводностью металлов и зависимость этих величин от различных обстоятельств не могут быть указаны. Однако термоэлектрические величины должны удовлетворять соотношениям, выведенным из второго закона термодинамики. Лоренц исследует термоэлектрическую цепь сначала термодинамически, а затем прилагает к ней статистику Максвелла-Больцмана. При этом он приходит к выводу, что термодинамически полученное соотношение совпадает с соотношениями, выведенными из кинетической теории только в том случае, если для стационарного состояния справедлив закон распределения Максвелла. Вместе с тем для получения определенных значений характеристик металла, в частности коэффициента электропроводности, необходимы определенные допущения о механизме столкновения. Если воздержаться от таких допущений, то нельзя вывести и закон Видемана-Франца. Лоренц указывает, что посредством исследования соответствующих частных случаев можно даже показать, что этот закон вообще не справедлив и его следует рассматривать как приближенное правило.

Аппарат для сжижения гелия в лаборатории Каммерлинг-Оннеса в Лейдене

Свою статью Лоренц заканчивает любопытным примером. Он рассматривает электростатическую задачу о поле, создаваемом точечным зарядом, помещенным перед бесконечной проводящей плоскостью. Как известно, это поле совпадает с полем, произведенным данным зарядом и его «электрическим изображением» в плоскости. Заряд этого изображения распределен по плоскости с плотностью, убывающей обратно пропорционально третьей степени расстояния от центра. Но как будет выглядеть это распределение, если перед плоскостью помещен положительный заряд, равный элементарному заряду е? Лоренц указывает, что индуцированный отрицательный электрон будет быстро менять свое положение на плоскости и его распределение в среднем будет совпадать с распределением, даваемым электростатикой. Наблюдению доступно только это распределение. Это статистическое «распределение» электрона на поверхности было предшественником будущих статистических закономерностей квантовой механики.

Участвовавший в геттингенской дискуссии сотрудник Каммерлинга-Оннеса Биллем Гендрик Кеезом выступил с сообщением «О применении квантовой теории к теории свободных электронов в металле». Кеезом замечает, что квантовая теория может быть применена к свободным электронам в металлах таким же образом, как она была применена Тетроде и Ленцем к идеальному газу, если ввести дополнительно нулевую энергию. Поскольку в системе свободных электронов частоты, соответствующие скоростям электронов, значительно выше, чем частоты, появляющиеся для идеальных газов, следствия, получающиеся для идеальных газов при крайне низких температурах, будут применимы для электронов при экспериментально достигаемых температурах. Для высоких температур энергия свободных электронов совпадает с даваемой теорией Друде-Лоренца, но для низких температур энергия и, следовательно, средняя скорость приближаются к конечному постоянному значению, что соответствует предположению Вина в его теории электропроводности. Тем самым устраняются затруднения с теплоемкостью и нет необходимости принимать малое число свободных электронов. Число свободных электронов при низких температурах приближается к постоянному значению, как это принимает Вин в своей теории. Таким образом, применение квантовой теории, по Кеезому, дает результаты, согласующиеся при низких температурах с теорией Вина. В 1915 г. Лоренц, суммируя кратко положения электронной теории металлов, заключал: «Впрочем, в области, которой мы кратко коснулись, имеется еще много нерешенных проблем, из которых некоторые представляют значительные трудности, поскольку, как вообще должно быть признано, физические теории до настоящего времени проникли в сущность материи еще очень поверхностно».

Однако это проникновение в сущность материи уже началось и многие результаты электронной теории проводимости были только незначительно модифицированы квантовой теорией металлов, что, конечно, не означает недооценки глубокого принципиального значения изменений, внесенных в теорию проводимости квантовой теорией. На эту теорию, как мы видели, возлагал надежды и Лоренц.

Источник

Электропроводность металлов и сплавов

Онлайн-конференция

«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Описание презентации по отдельным слайдам:

Описание слайда:

Электропроводность
металлов и сплавов

Описание слайда:

Электропроводность проводников
Электропроводность полупроводников
Электропроводность диэлектриков
Электропроводность металлов
Электропроводность сплавов
Содержание :

Описание слайда:

Описание слайда:

Электропроводность проводников
Проводники обладают высокой электропроводностью. Различают проводники первого и второго рода. К проводникам первого рода относятся все металлы, некоторые сплавы и уголь. Они обладают электронной проводимостью. К проводникам второго рода относятся электролиты. В них имеет место ионная проводимость.
Если проводник поместить в электростатическое поле, то под действием этого поля происходит перемещение зарядов в проводнике: положительных – в направлении внешнего поля, отрицательных – в противоположном направлении (рис.1.1а). Такое разделение зарядов в проводнике под действием внешнего поля называется электростатической индукцией. Разделённые внутри проводника заряды создают своё электрическое поле, направленное от положительных зарядов к отрицательным, т.е. против внешнего поля (рис.1. 1а).
Очевидно, разделение зарядов в проводнике прекратится тогда, когда напряжённость поля разделённых зарядов Eвнутр станет равной напряжённости внешнего поля в проводнике Eвнешн, т.е. Eвнутр = Eвнешн, а результирующее поле
Е = Eвнутр – Eвнешн = 0
Таким образом, результирующее поле внутри проводника станет равным нулю
(рис.1. 1б). На этом принципе работает электростатический экран, защищающий часть пространства от внешних электрических полей (рис.1. 2). Для того чтобы внешние электрические поля не влияли на точность электроизмерения, измерительный прибор помещают внутрь замкнутой проводящей оболочки (экран), в которой электростатическое поле отсутствует.
Рис 1.1
Рис 1.2

Описание слайда:

В примесном полупроводнике n ¹ p, поэтому электропроводность выражается следующей формулой:

В широком диапазоне температур и для различного содержания примесей имеют место температурные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа, изображенные на рис. 2.1.
В области низких температур участок нижней ломаной между точками а и б характеризует только концентрацию носителей, обусловленную примесями. Наклон прямой на этом участке определяется энергией активации примесей. С увеличением температуры число носителей, поставляемых примесями, возрастает, пока не истощатся электронные ресурсы примесных атомов (точка б). На участке б – в примеси уже истощены, перехода электронов через запрещенную зону еще не обнаруживается. Участок кривой с постоянной концентрацией носителей заряда называют областью истощения примесей. В дальнейшем температура настолько велика, что начинается быстрый рост концентрации носителей вследствие перехода электронов через запрещенную зону ( участок в – и). Наклон этого участка характеризует ширину запрещенной зоны полупроводника. Угол наклона участка а – б зависит от концентрации примесей.
Вторая компонента, обуславливающая электропроводность полупроводников – подвижность носителей заряда. При повышении температуры энергия электронов, а следовательно, и подвижность увеличивается. Но, начиная с некоторой температуры Т усиливаются колебания узлов кристаллической решетки полупроводника, которые мешают перемещению свободных носителей зарядов. Следовательно, их подвижность падает (рис.2.2.).
Рис.2.1
Рис.2.2

Описание слайда:

Электропроводность диэлектриков практически равна нулю в силу весьма сильной связи между электронами и ядром атомов диэлектрика.
Если диэлектрик поместить в электростатическое поле, то в нём произойдёт поляризация атомов, т.е. смещение разноимённых зарядов в самом атоме, но не разделение их (рис. 3.1а). Поляризованный атом может рассматриваться как электрический диполь (рис. 3.1б), в котором «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются.
Диполь – это система двух разноимённых зарядов, расположенных на малом расстоянии друг от друга в замкнутом пространстве атома или молекулы.
Электрический диполь – это атом диэлектрика, в котором орбита электрона вытягивается в направлении, противоположном направлению внешнего поля Eвнешн (рис. 3.11б). Поляризованные атомы создают своё электрическое поле, напряжённость которого направлена против внешнего поля. В результате поляризации результирующее поле внутри диэлектрика ослабляется. Интенсивность поляризации диэлектрика зависит от его диэлектрической проницаемости. Чем она больше, тем интенсивнее поляризация в диэлектрике и тем слабее электрическое поле в нём.
Е = Eвнешн – Eвнутр
Если диэлектрик поместить в сильное электрическое поле, напряжённость которого можно увеличивать, то при каком-то значении напряжённости произойдёт пробой диэлектрика, при этом электроны отрываются от атома, т.е. происходит ионизация диэлектрика, и он становится проводником. Напряжённость внешнего поля, при которой происходит пробой диэлектрика, называется пробивной напряжённостью диэлектрика. А напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называют напряжением пробоя, или электрической прочностью диэлектрика.
Рис.3.1

Описание слайда:

Электрический ток в металлах согласно классической электронной теории проводимости это упорядоченное движение электронов под действием сторонних сил. Согласно этой теории металл состоит из положительных ионов находящихся в узлах кристаллической решётки. А в свободном пространстве между ними движутся электроны подобно одноатомному идеальному газу.

Однако если в газе атомы соударяются между собой то в проводнике электроны ударяются об узлы решетки, отдавая таким образами им свою энергию.
Как же была получена эта теория. Для начала нужно было выяснить, что является носителями зарядов в проводнике. С этой целью ученый Рикке в 1899 году провел такой эксперимент. Он взял три одинаковых цилиндра с тонко обработанными торцами. Два из них были медные, а третий алюминиевый. Сжал их между собой так, чтобы алюминиевый цилиндр оказался посередине и включил всю это конструкцию в главный питающий провод на трамвайной подстанции.

Спустя год он разобрал конструкцию и тщательно обследовал места соединения цилиндров. И обнаружил, что диффузии металлов друг в друга не произошло. То есть атомы меди не проникли в алюминий и наоборот. Из этого эксперимента можно сделать вывод что под действием электрического тока по проводнику не перемещаются ионы. А движутся лишь свободные электроны.
Рис.4.1-
строение металла

Описание слайда:

То, что по проводнику движутся электроны, было установлено благодаря еще одному опыту. Для него необходимо взять катушку из проволоки и раскрутить ее. К катушке должен быть подключен амперметр. В момент резкой остановки катушки прибор покажет кратковременный ток. Этот ток обусловлен тем, что электроны продолжают двигаться по инерции, в то время как катушка уже остановилась. То есть наблюдается движение электронов по проводу хоть и кратковременное.
В проводнике без электрического поля свободные электроны находятся в непрерывном хаотическом движении как молекулы газа. Но при создании внешнего электрического поля электроны сохраняя свое хаотическое движение, начнут двигаться под действием сил поля. Вот это направленное движение и называется током.
Сами электроны под действием поля движутся достаточно медленно. Приблизительно пару миллиметров в секунду. Так как же лампочка, которую мы включаем, загорается так быстро ведь провод, которым она подключена достаточно длинный. И электрон от выключателя как минимум пару минут должен двигаться к спирали лампы.
На самом деле все немного по другому. Ведь провода спираль и выключатель состоят из проводника и в них присутствуют электроны по всей длине. И при замыкании выключателя чтобы ток начал оказывать действие необязательно, чтобы электрон от выключателя попал в спираль. Ведь электроны в ней уже есть. При замыкании по проводникам начинает двигаться электрическое поле практически со скоростью света вот оно та и передает энергию.
Представьте себе тонкую трубку набитую шариками внешним диаметром чуть меньше диаметра трубы. Когда мы всунем еще шарик с одной стороны, то с другого конца выпадет другой шарик. То есть по трубке двигалось усилие, передаваясь от шарика к шарику, а не ток шарик, который мы впихнули.
Рис.4.2-
катушка с проводом вращаемая вокруг продольной оси

Описание слайда:

Идеальная решётка металла имеет строго периодический потенциал (рис. 2.2, а).
Если часть атомов меди беспорядочно замещена атомами другого элемента, то поле вблизи примесных атомов не такое, как вблизи собственных. Потенциал решётки становится непериодическим (рис. 2.2, б). Он нарушается беспорядочно распределёнными примесями, что приводит к рассеянию носителей и дополнительному электрическому сопротивлению.
В сплавах примеси вызывают более сильное нарушение периодичности потенциала решётки, чем тепловые колебания.
Поэтому сопротивление сплава ρ(спл) значительно больше сопротивления ρ чистых металлов и определяется в основном рассеянием носителей на примесях.
Как показал Нордгейм, подвижность для бинарных сплавов, обусловленная рассеянием их на нарушениях периодичности потенциала решётки, определяется следующим приближённым соотношением:

где p и 1− p – относительные доли металлов, образующих сплав.
Подставим в выражение σ = qnµ соотношение для подвижности сплава, учитывая, что ρ=1/σ, получим выражение удельного сопротивления для бинарного (двойного) сплава:

где β – коэффициент пропорциональности.
Функция p(1− p) имеет максимум при p = 1/2, т.е. при равном содержании в сплаве обоих компонентов. Если сплавляемые металлы при определённом соотношении компонентов образуют соединение с упорядоченной внутренней
структурой, то периодичность решётки восстанавливается (рис. 2.2, в) и сопротивление, обусловленное рассеянием на примесях, практически полностью исчезает.
Этот факт является подтверждением квантовой теории электропроводности, согласно которой причиной
электрического сопротивления твёрдых материалов является не столкновение свободных электронов с атомами решётки, а
рассеяние их на дефектах решётки, вызывающих нарушение периодичности потенциала
Электропроводность
сплавов

Описание слайда:

Вывод:
Мы изучили электропроводность проводников, полупроводников, диэлектриков, также в частности металлов и сплавов, узнали какие факторы влияют на их электропроводность.

Описание слайда:

Контрольные вопросы:
1) Дать определение проводника
2) Какие вы знаете виды проводников?
3) Дайте определение собственной проводимости полупроводника.
4) Что такое диполь?
5) Дайте определение электрического диполя.
6) Что такое электропроводность?
7) Дайте определение электрического тока в металлах согласно классической электронной теории проводимости.
8) Дайте определение сплава.
9) Напишите уравнение подвижности для бинарных сплавов.
10) Дайте определение диэлектрика.

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

Источник