Электропроводность веществ

В этой статье раскроем тему электропроводности, вспомним о том, что такое электрический ток, как он связан с сопротивлением проводника и соответственно с его электропроводностью. Отметим основные формулы для вычисления данных величин, коснемся темы скорости тока и ее связи с напряженностью электрического поля. Также затронем связь электрического сопротивления и температуры.

Для начала вспомним о том, что же такое электрический ток. Если поместить вещество во внешнее электрическое поле, то под действием сил со стороны этого поля, в веществе начнется движение элементарных носителей заряда — ионов или электронов. Это и будет электрическим током. Сила тока I измеряется в амперах, и один ампер — это ток, при котором через поперечное сечение проводника протекает за секунду заряд, равный одному кулону.

Ток бывает постоянным, переменным, пульсирующим. Постоянный ток не меняет своей величины и направления в каждый конкретный момент времени, переменный ток с течением времени меняет свои величину и направление (генераторы переменного тока и трансформаторы дают именно переменный ток), пульсирующий ток меняет свою величину, но не меняет направления (например выпрямленный переменный ток является пульсирующим).

Вещества имеют свойство проводить электрический ток под действием электрического поля, и это свойство называется электропроводностью, которая у разных веществ различна. Электропроводность веществ зависит от концентрации в них свободных заряженных частиц, то есть ионов и электронов, не связанных ни с кристаллической структурой, ни с молекулами, ни с атомами данного вещества. Так, в зависимости от концентрации в веществе свободных носителей заряда, вещества по степени электропроводности подразделяются на: проводники, диэлектрики и полупроводники.

Наиболее высокой электропроводностью обладают проводники электрического тока, и по физической природе, проводники в природе представлены двумя родами: металлами и электролитами. В металлах ток обусловлен перемещением свободных электронов, то есть проводимость у них электронная, а в электролитах (в растворах кислот, солей, щелочей) — перемещением ионов — частей молекул, имеющих положительный и отрицательный заряд, то есть проводимость у электролитов ионная. Ионизированные пары и газы отличаются смешанной проводимостью, в них ток обусловлен движением и электронов и ионов.

Электронная теория отлично объясняет высокую электропроводность металлов. Связь валентных электронов с их ядрами в металлах слаба, потому эти электроны свободно перемещаются от атома к атому по объему проводника.

Получается, что свободные электроны в металлах заполняют пространство между атомами подобно газу, электронному газу, и находятся в хаотичном движении. Но при внесении металлического проводника в электрическое поле, свободные электроны станут двигаться упорядоченно, они переместятся по направлению к положительному полюсу, чем создадут ток. Таким образом, упорядоченное движение свободных электронов в металлическом проводнике называется электрическим током.

Известно, что скорость распространения электрического поля в пространстве примерно равна 300000000 м/с, то есть скорости света. Это та же скорость, с которой ток проходит по проводнику.

Что это значит? Это не значит, что каждый электрон в металле движется с такой огромной скоростью, электроны в проводнике напротив — имеют скорость от нескольких миллиметров в секунду до нескольких сантиметров в секунду, в зависимости от напряженности электрического поля, а вот скорость распространения электрического тока по проводнику как раз равна скорости света.

Все дело в том, что каждый свободный электрон оказывается в общем электронном потоке того самого «электронного газа», и во время прохождения тока, электрическое поле оказывает действие на весь этот поток, в итоге электроны непрерывно друг другу передают это действие поля — от соседа к соседу.

Но движутся электроны на своих местах очень медленно, несмотря на то, что скорость распространения электрической энергии по проводнику оказывается огромной. Так, когда на электростанции включают рубильник, ток мгновенно возникает во всей сети, а электроны при этом практически стоят на местах.

Однако, когда свободные электроны движутся по проводнику, они испытывают многочисленные столкновения на своем пути, они сталкиваются с атомами, ионами, молекулами, передавая им часть своей энергии. Энергия движущихся электронов, преодолевающих такое сопротивление, частично рассеивается в виде тепла, и проводник нагревается.

Эти столкновения служат сопротивлением движению электронов, потому свойство проводника препятствовать движению заряженных частиц и называют электрическим сопротивлением. При малом сопротивлении проводника проводник нагревается током слабо, при значительном — намного сильнее, и даже до бела, этот эффект применяется в нагревательных приборах и в лампах накаливания.

Единица изменения сопротивления — Ом. Сопротивление R = 1 Ом — это сопротивление такого проводника, при прохождении по которому постоянного тока в 1 ампер, разность потенциалов на концах проводника равна 1 вольту. Эталон сопротивления в 1 Ом — столб ртути высотой 1063 мм, сечением 1 кв.мм при температуре 0°С.

Поскольку проводникам характерно электрическое сопротивление, то можно сказать, что в какой-то степени проводник способен проводить электрический ток. В связи с этим введена величина, называемая проводимостью или электропроводностью. Электропроводность — это способность проводника проводить электрический ток, то есть величина, обратная электрическому сопротивлению.

Единица измерения электропроводности G (проводимости) — Сименс (См), и 1 См = 1/(1 Ом). G = 1/R.

Так как атомы различных веществ в разной степени препятствуют прохождению электрического тока, то и электрическое сопротивление у различных веществ разное. По этой причине введено понятие удельное электрическое сопротивление, величина которого «р» характеризует проводящие свойства того или иного вещества.

Сегодня проводящие материалы в электротехнике используют в основном в виде лент, шин, проволок, с определенной площадью поперечного сечения и определенной длины, но не в виде метровых кубов. И для более удобных расчетов электрического сопротивления и электропроводности проводников конкретных размеров были введены более приемлемые единицы измерения как для удельного электрического сопротивления, так и для удельной электропроводности. Ом*мм2/м — для удельного сопротивления, и См*м/мм2 — для удельной электропроводности.

Теперь можно говорить, что удельное электрическое сопротивление и удельная электропроводность характеризуют проводящие свойства проводника площадью поперечного сечения в 1 кв.мм, длиной в 1 метр при температуре 20°C, это более удобно.

Лучшей электропроводностью обладают такие металлы как: золото, медь, серебро, хром, алюминий. Сталь и железо проводят ток хуже. Чистые металлы всегда обладают лучшей электропроводностью, чем их сплавы, поэтому чистая медь в электротехнике предпочтительней. Если нужно специально высокое сопротивление, то используют вольфрам, нихром, константан.

Зная величину удельного электрического сопротивления или удельной электропроводности, можно легко вычислить сопротивление или электропроводность конкретного проводника, изготовленного из данного материала, приняв в расчет длину l и площадь поперечного сечения S этого проводника.

При понижении температуры — наоборот, колебания атомов кристаллической решетки становятся меньше, сопротивление уменьшается (возрастает электропроводность). У одних веществ зависимость сопротивления от температуры выражена слабее, у других — сильнее. Например такие сплавы как константан, фехраль и манганин слабо меняют удельное сопротивление в определенном интервале температур, поэтому из них делают термостабильные резисторы.

Зная температурный коэффициент сопротивления и приращение температуры, можно легко вычислить удельное сопротивление вещества при заданной температуре.

Источник

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ МЕТАЛЛОВ, ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

В зависимости от величины электропроводности вещества можно условно разделить на три группы: проводники, диэлектрики и полупроводники. Однако, провести четкие границы между группами невозможно.

Полупроводники имеют проводящие свойства средние между проводниками и диэлектриками. К полупроводникам относятся, например, германий, кремний, селен и другие искусственные соединения. [3]

На электропроводность вещества или тела влияет температура вещества. Однако, зависимость от температуры различная у разных веществ. У металлов данная зависимость определяется уменьшением времени свободного пробега электронов с ростом температуры. При увеличении температуры происходит возрастание тепловых колебаний кристаллической решетки, на которой рассеиваются электроны и соответственно электропроводность уменьшается. Для полупроводников зависимость иная. При повышении температуры электропроводность увеличивается, так как увеличивается число электронов проводимости и положительных носителей заряда. Диэлектрики также имеют увеличенную электропроводность, но при очень высоком электрическом напряжении. [2]

Металлы имеют свойство проводить ток. Это обусловлено тем, что электромагнитное поле воздействует на проводниковый металл, в следствие чего электрон ускоряется настолько, что теряет связь с атомом.

Плотность тока, проходящая через проводник будет равна общему заряду всех электронов, проходящих за одну секунду через единицу площади поперечного сечения проводника.

Плотность тока выражается формулой:

— значение направления плотности тока;

— значение направления напряженности электрического поля.

Электропроводность некоторых металлов представлена в таблице 1.

Таблица 1 – «Электропроводность металлов»

Источник

Разница между электролитами и неэлектролитами

Главное отличие

Основное различие между электролитами и неэлектролитами заключается в том, что электролиты — это химические соединения, которые обладают способностью ионизации в растворе, тогда как неэлектролиты — это химические соединения, которые не обладают способностью ионизации в растворе.

Электролиты против неэлектролитов

Электролиты — это соединения, которые полностью ионизируются до ионов в водных растворителях, тогда как неэлектролиты — это соединения, которые не ионизируются до ионов в водных растворителях. В растворе электролита возможно проведение электричества; с другой стороны, в растворе неэлектролита проведение электричества невозможно. Электролиты — это соединения, состоящие из слабых связей, а неэлектролиты — это соединения, состоящие из сильных связей.

Электровалентная связь присутствует в химическом составе электролита; с другой стороны, ковалентная связь присутствует в неэлектролитных химических соединениях. Электролиты обычно включают в электровалентные соединения; с другой стороны, неэлектролиты включают в состав ковалентных соединений. Основание, кислота и соли называются электролитами; С другой стороны, углеводы, жиры, липиды, сахара и органические соединения, называемые неэлектролитами.

Электролиты далее делятся на два типа, в то время как неэлектролиты далее на типы не делятся. Полярные соединения известны как электролиты; с другой стороны, неполярные соединения, известные как неэлектролиты.

Расплавленная форма электролитов ионизируется; с другой стороны, расплавленная форма неэлектролитов неионизируется. Электролиты, используемые для определения стандартного электродного потенциала; с другой стороны, неэлектролиты не используются для определения стандартного электродного потенциала. Электропроводность электролитов увеличивается с повышением температуры в электролитических ячейках; с другой стороны, проводимость электрического тока неэлектролитами не зависит от температуры.

Связь в электролитах очень слабая, поэтому она может легко разорваться при прохождении электрического тока; с другой стороны, связь в электролитах — это очень прочная связь, которая не может разорваться при проведении электрического тока. Электролиты обладают способностью полностью растворяться в растворе; с другой стороны; неэлектролиты не обладают способностью полностью растворяться в растворе.

Электролиты распадаются на положительные и отрицательные ионы; С другой стороны, неэлектролиты не распадаются на положительные и отрицательные ионы. Электролиты не включают чистую воду; напротив, неэлектролиты также включают чистую воду. Электропроводности электролитов увеличиваются по мере увеличения количества менее сильного электролита в растворе электролита, тогда как неэлектролиты не влияют на концентрацию, поскольку они не связаны с проводимостью.

Сравнительная таблица

Что такое электролиты?

Электролиты — это химические соединения, которые полностью диссоциируют в водном растворе и отдают в раствор положительные и отрицательные ионы. Эти ионы также могут проводить электрический ток в электролитических ячейках. Электропроводность увеличивается с увеличением температуры раствора или ячейки. Это прямо противоположно проводимости электрического тока металлами или проводниками.

Он может образовывать как катионы, так и анионы в твердой или расплавленной форме. Химические соединения-электролиты обычно состоят из очень слабых химических связей, таких как электровалентная связь или ионная связь. Вот почему эти соединения включены в классификацию ионных соединений. Электролиты также называют полярными соединениями.

Но чистая вода или дистиллированная вода не входят в состав электролитов, поскольку они не могут образовывать ионы в растворах. Ионы электролитов обладают способностью перемещаться в электролитической ванне, делая несколько изменений в растворах. Его типы — сильные электролиты и слабые электролиты.

Примерами хороших электролитов являются серная кислота, раствор сульфата меди, гидроксид калия, этанол, раствор сульфата цинка и т. Д.

Приложения

Что такое неэлектролиты?

Неэлектролиты — это химические соединения, которые не полностью диссоциируют в водном растворе, давая раствору положительные и отрицательные ионы. Эти соединения также не обладают способностью проводить электрический ток в электролитических ячейках. На раствор неэлектролита температура не влияет, поскольку они не связаны с электролитической проводимостью или с металлической проводимостью.

Он не образует ионы, такие как катионы или анионы, как в твердой, так и в расплавленной форме. Химические соединения неэлектролитов обычно состоят из очень прочных химических связей, таких как ковалентные связи, которым требуется очень большое количество силы для разрушения соединений на ионы. Вот почему эти соединения включены в классификацию ковалентных соединений.

Неэлектролиты также известны как неполярные соединения. Чистая вода или дистиллированная вода входят в состав неэлектролитов, поскольку они не могут образовывать ионы в растворах. Примерами неэлектролитов являются сахар, липиды, жиры, углеводы, глюкоза, углеродсодержащие соединения и т. Д.

Ключевые отличия

Заключение

Из приведенного выше обсуждения делается вывод, что как электролиты, так и неэлектролиты являются химическими соединениями. Электролиты — это химические соединения, которые диссоциируют в водном растворе с образованием положительных и отрицательных ионов, тогда как неэлектролиты — это химические соединения, которые не диссоциируют в водном растворе с образованием положительных и отрицательных ионов.

Источник

Электрическая проводимость различных веществ. Электронная проводимость металлов

Урок 56. Физика 10 класс ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Электрическая проводимость различных веществ. Электронная проводимость металлов»

Как мы уже свами знаем, проводниками электрического тока могут быть вещества и в твёрдом, и в жидком, и в газообразном состояниях. Возникает закономерный вопрос: а какие частицы являются носителями электрического заряда в той или иной среде?

Мы уже с вами говорили о том, что в металлах носителями заряда являются свободные электроны. Наряду с металлами хорошими проводниками являются водные растворы или расплавы электролитов. Заряженные частицы, обеспечивающие существование электрического тока в электролитах, образуются в результате электролитической диссоциации, то есть распада молекул растворяемого вещества на ионы под действием молекул растворителя. Иными словами, в электролитах носителями заряда являются положительные и отрицательные ионы.

При определённых условиях газ также может являться хорошим проводником электрического тока. Носителями тока в этом случае выступают ионы и электроны.

А как вы думаете, возможен ли ток в вакууме? Для начала, давайте вспомним, что вакуум — это такое состояние газа в сосуде, при котором длина свободного пробега заряженных частиц превышает размеры сосуда. Проще говоря, вакуум — это идеальный изолятор, так как в нём отсутствуют свободные носители заряда.

Однако, если в сосуд с вакуумом поместить два электрода, один из которых — это подогреваемый спиралью катод, а второй — холодный анод, включённый в электрическую цепь, то электроны, вырвавшиеся с поверхности катоды, придут в упорядоченное движение и цепь замкнётся. Следовательно, носителями тока в вакууме являются электроны.

Также мы с вами говорили о том, что в природе существуют вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками — это полупроводники. В них носителями тока являются свободные электроны и дырки.

На сегодняшнем уроке мы с вами остановимся на подробном рассмотрении электронной проводимости металлов. Впервые она была экспериментально подтверждена немецким физиком-экспериментатором Эдуардом Рикке в 1901 году. Суть его опыта достаточно проста. Он взял проводник, состоящий из трёх отполированных и плотно прижатых друг к другу двух медных и одного алюминиевого цилиндров известной массы, и в течение года пропускал по ним ток одного и того же направления. За это время через проводник прошёл чудовищный заряд — более чем 3,5 МКл. После завершения опыта, Рикке опят взвесил цилиндры. Оказалось, что их массы остались неизменными. Более того, в местах контакта цилиндров также никаких изменений не произошло. Этот, на первый взгляд, простой эксперимент послужил доказательством того, что перенос заряда при прохождении тока в металлах не сопровождается химическими процессами и переносом вещества, а осуществляется частицами, которые являются общими для всех металлов, — электронами.

Убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в 1913 году в опытах русских физиков Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси, а также американским физиком Ричардом Толменом и шотландским физиком Томасом Стюартом в 1916 году.

Идея обоих опытов такова. Берётся катушка с большим числом витков из тонкой проволоки, концы которой припаяны к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. С помощью скользящих контактов катушка подключается к гальванометру. Затем её приводят в быстрое вращение (до полутора тысяч оборотов в минуту), и — резко останавливают. При таком торможении катушки в цепи возникает кратковременный ток, обусловленный инерцией носителей заряда

По направлению отклонения стрелки гальванометра было установлено, что электрический ток создают отрицательно заряженные частицы. Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе:

Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за всё время существования тока в цепи, удалось определить отношение q₀/m (то есть удельный заряд). Он оказался равным одной целой и восьми десятым на десять в одиннадцатой степени кулон на килограмм, что оказалось очень близко к величине удельного заряда электрона, найденному ранее из других опытов.:

Так было экспериментально доказано, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.

В 1900—1904 гг., немецкий физик Пауль Друде и голландский физик Хендрик Лоренц разработали классическую электронную теорию проводимости металлов. Согласно этой теории любой металлический проводник можно рассматривать как физическую систему, состоящую из двух подсистем: свободных электронов с концентрацией

10 28 м –3 и положительно заряженных ионов, колеблющихся около положений равновесия.

Появление свободных электронов в металлическом кристалле упрощённо объяснить можно так. Электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов, слабо связаны со своими ядрами. А при образовании кристалла электроны начинают взаимодействовать не только со своими ядрами, но и с ядрами соседних атомов. В результате внешние электроны отрываются и могут двигаться по всему кристаллу в любом направлении, подобно частицам идеального газа. Эти электроны и называются свободными или электронами проводимости.

А совокупность свободных электронов в кристаллической решётке металла называют электронным газом.

Если к проводнику приложено внешнее электрическое поле, то на тепловое движение свободных электронов накладывается ещё направленное движение под действием сил электрического поля, что и порождает электрический ток.

При этом считается, что движение электронов под действием сил электрического поля подчиняется законам классической механики, а их столкновения с ионами кристаллической решётки металла являются неупругими.

Модель электронного газа даёт возможность теоретически объяснить природу сопротивления и вывести закон Ома для участка цепи, не содержащего источника тока, на основе классической электронной теории проводимости металлов.

Итак, пусть электрон движется с ускорением в направлении, противоположном направлению напряжённости электрического поля. Так как движение электрона подчиняется законам классической механики, то его ускорение мы можем определить на основании второго закона Ньютона:

В записанной формуле m₀ — это масса электрона, а F — это постоянная сила, действующая на электрон со стороны электрического поля. Она равна произведению заряда электрона на напряжённость электрического в проводнике.

Тогда модуль средней скорости направленного движения электрона (она называется дрейфовой скоростью) линейно возрастает со временем:

Здесь t* — это усреднённое время между двумя последовательными столкновениями электрона с ионами кристаллической решётки.

Дрейфовая скорость электрона не увеличивается в дальнейшем со временем, так как при столкновении с ионами кристаллической решётки электрон передаёт им кинетическую энергию, приобретённую в электрическом поле. Потом он опять ускоряется и процесс повторяется. В результате дрейфовая скорость электрона оказывается пропорциональной напряжённости электрического поля в проводнике.

Поскольку электрическое поле внутри однородного прямолинейного проводника с током однородное, то модуль напряжённости этого поля равен отношению напряжения между его концами к длине проводника:

Тогда модуль средней скорости направленного движения электронов пропорционален напряжению между концами проводника: υ

Теперь давайте с вами вспомним, что сила тока в проводнике пропорциональна модулю средней скорости направленного движения электронов:

Но, как мы показали с вами выше, дрейфовая скорость пропорциональна разности потенциалов на концах проводника. Следовательно, сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника: I

U. В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе классической электронной теории проводимости металлов.

Для закрепления материала решим с вами небольшую задачу. Как изменится дрейфовая скорость электронов в проводнике, если при неизменной площади поперечного сечения и разности потенциалов на его концах, увеличить длину этого проводника в три раза?

В заключении урока отметим, что построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно. А дело всё в том, что условия движения электронов в металле таковы, что для его описания классическая механика Ньютона неприменима. Этот факт подтверждается, например, зависимостью сопротивлений металлов от температуры. Так в классической теории металлов, в которой движение электронов рассматривается на основе второго закона Ньютона, сопротивление проводника пропорционально квадратному корню из температуры.

А вот эксперименты говорят, что эта зависимость линейная. Однако об этом мы с вами поговорим в следующий раз.

Источник