Меню

Кто лучше проводит ток из металла

Какие вещества проводят электрический ток?

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: носители свободных электрических зарядов в металлах.

В этом листке мы приступаем к подробному изучению того, как осуществляется прохождение электрического тока в различных проводящих средах — твёрдых телах, жидкостях и газах.

Напомним, что необходимым условием возникновения тока является наличие в среде достаточно большого количества свободных зарядов, которые могут начать упорядоченное движение под действием электрического поля. Такие среды как раз и называются проводниками электрического тока.

Наиболее широко распространены металлические проводники. Поэтому начинаем мы с вопросов распространения электрического тока в металлах.

Мы много раз говорили о свободных электронах, которые являются носителями свободных зарядов в металлах. Вам хорошо известно, что электрический ток в металлическом проводнике образуется в результате направленного движения свободных электронов.

Свободные электроны

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическую структуру: расположение атомов в пространстве характеризуется периодической повторяемостью и образует геометрически правильный рисунок, называемый кристаллической решёткой.
Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, расположенных на внешней электронной оболочке. Эти валентные электроны слабо связаны с ядром, и атом легко может их потерять.

Когда атомы металла занимают места в кристаллической решётке, валентные электроны покидают свои оболочки — они становятся свободными и отправляются «гулять» по всему кристаллу (а именно, свободные электроны перемещаются по внешним орбиталям соседних атомов. Эти орбитали перекрываются друг с другом вследствие близкого расположения атомов в кристаллической решётке, так что свободные электроны оказываются «общей собственностью» всего кристалла). В узлах кристаллической решётки металла остаются положительные ионы, пространство между которыми заполнено «газом» свободных электронов (рис. 1).

Рис. 1. Свободные электроны

Свободные электроны и впрямь ведут себя подобно частицам газа (другой адекватный образ — электронное море, которое «омывает» кристаллическую решётку) — совершая тепловое движение, они хаотически снуют туда-сюда между ионами кристаллической решётки. Суммарный заряд свободных электронов равен по модулю и противоположен по знаку общему заряду положительных ионов, поэтому металлический проводник в целом оказывается электрически нейтральным.

Газ свободных электронов является «клеем», на котором держится вся кристаллическая структура проводника. Ведь положительные ионы отталкиваются друг от друга, так что кристаллическая решётка, распираемая изнутри мощными кулоновскими силами, могла бы разлететься в разные стороны. Однако в тоже самое время ионы металла притягиваются к обволакивающему их электронному газу и, как ни в чём не бывало, остаются на своих местах, совершая лишь тепловые колебания в узлах кристаллической решётки вблизи положений равновесия.

Что произойдёт, если металлический проводник включить в замкнутую цепь, содержащую источник тока? Свободные электроны продолжают совершать хаотическое тепловое движение, но теперь — под действием возникшего внешнего электрического поля — они вдобавок начнут перемещаться упорядоченно. Это направленное течение электронного газа, накладывающееся на тепловое движение электронов, и есть электрический ток в металле (поэтому свободные электроны называются также электронами проводимости). Скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике, как нам уже известно, составляет приблизительно 0,1мм/с.

самый электропроводный металл это Как работает заземление сопротивление земли самый электропроводный металл контур заземления самый электропроводный металл в мире

проводит ли стекло электрический ток? Почему?

Стекло при обычных условиях, т. е. в твердом состоянии, является изолятором, и эта его особенность широко используется. Например, металлические контакты — вводы — в приборах впаивают непосредственно в стекло. Однако в расплавленном состоянии стекло проводит электрический ток.

согласна с предыдущим ответом!

стекло не проводник и не диэлектрик, это полу проводник т. к. его свойства несовпадают ни с диэлектриками (пластичность, прочность, хорошая теплопроводность, горение) и проводниками (хорошая теплопроводность, стойкость к огню, остальные свойства могут быть разными в зависимости от вещества) но зато идентичны свойствам полупроводника. например при высокой температуре — проводник, при низкой — диэлектрик

Опыт Рикке

Почему мы решили, что ток в металлах создаётся движением именно свободных электронов? Положительные ионы кристаллической решётки также испытывают на себе действие внешнего электрического поля. Может, они тоже перемещаются внутри металлического проводника и участвуют в создании тока?

Упорядоченное движение ионов означало бы постепенный перенос вещества вдоль направления электрического тока. Поэтому надо просто пропускать ток по проводнику на протяжении весьма длительного времени и посмотреть, что в итоге получится. Такого рода эксперимент и был поставлен Э.Рикке в 1901 году.

В электрическую цепь были включены три прижатых друг к другу цилиндра: два медных по краям и один алюминиевый между ними (рис. 2). По этой цепи пропускался электрический ток в течение года.

Рис. 2. Опыт Рикке

За год сквозь цилиндры прошёл заряд более трёх миллионов кулон. Предположим, что каждый атом металла теряет по одному валентному электрону, так что заряд иона равен элементарному заряду Кл. Если ток создаётся движением положительных ионов, то нетрудно подсчитать (сделайте это сами!), что такая величина прошедшего по цепи заряда соответствует переносу вдоль цепи около 2кг меди.

Однако после разъединения цилиндров было обнаружено лишь незначительное проникновение металлов друг в друга, обусловленное естественной диффузией их атомов (и не более того). Электрический ток в металлах не сопровождается переносом вещества, поэтому положительные ионы металла не принимают участия в создании тока.

вещества которые проводят электрический ток какие из следующих жидкостей проводят электрический ток электролиты проводят электрический ток какие из следующих жидкостей проводят электрический ток расплавы проводят электрический ток

Ответы@Mail.Ru: проводит ли магнит ток

Это зависит от того, проводник это или диэлектрик. Проводники это такие материалы, которые проводят электрический ток. Например, железо является проводником и поэтому железные магниты проводят ток. Диэлектрики (или по другому, изоляторы) это такие материалы, которые не проводят электрический ток. Например, магнитные полимеры (в холодильнике магнитная резинка) ток не проводят. Диэлектрики и проводники отличаются тем, что в проводниках есть свободные электроны, а в диэлектриках их нет. Есть еще и третий тип магнитов. Это полупроводники.

Щас попробуем… . Как ни странно не проводит! Перепробовал все магнитики на холодильнике, а вот магнит из динамика попробовать нет возможности, много шурупов надо откручивать, лень.. . Один из магнитов на холодильнике по материалу был такой же как и в динамиках, он не проводил, так что по моему нет.

Проводит, так как он металл.

магниты есть разные, проводящие и нет

Металлические — проводят, но редко встречаются в быту, черные (ферритовые) — не проводят.

магниты бывают разными, есть проводящие, есть непроводящие

Если ферросплав-то нет

электромагнит — проводит электрический ток! ферритовые магниты — не проводят!

Проводят. Причём все, ферритовые меньше, но проводят.

Я не физик, я — лирик…. Словом, не технический человек, просто очень давно, как все, ходил в школу. Неодимовые и ферритовые магниты имеют в своих составах ЖЕЛЕЗО, значит, химически-физически просто ОБЯЗАНЫ быть проводниками электрического тока. Вопрос в другом: магниты хорошие проводники тока или так себе? Хуже — отвратительные, потому как капризные. В зависимости от %-ного содержания своих вспомогательных составов. К примеру, бора, неодима и проч., проч. Вот у меня дома (пойду подсчитаю!)… за сотню всяких-разных магнитов и магнитиков. Самые крупные — два по 500 примерно грамм. Как-то я проверял их на токопроводность. Ни один не оживил экранчик мультитестера. Хотя я не стал пробовать по-народному: через два провода и в розетку. Думаю, что тогда бы я сильно рисковал… Типа как некогда в армии. Проверяли «на живца» пробивную силу патронов из АК-47 — калибр 7,62. Каску стальную — насквозь и дальше. Рельсу — даже без вмятинок. А как по человеку? Если тот стоит за 1000 м от стрелка? Хорошо, что никто с такого расстояния (для перестраховки отмеряли аж 1100 шагов) не попал в тех наших горячих добровольцев-спорщиков! Пуля она дура…

Опыт Стюарта–Толмена

Прямое экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создаётся движением свободных электронов, было дано в опыте Т.Стюарта и Р.Толмена (1916 год).

Эксперименту Стюарта–Толмена предшествовали качественные наблюдения, сделанные четырьмя годами ранее русскими физиками Л.И.Мандельштамом и Н.Д.Папалекси. Они обратили внимание на так называемый электроинерционный эффект: если резко затормозить движущийся проводник, то в нём возникает кратковременный импульс тока. Эффект объясняется тем, что в течение небольшого времени после торможения проводника его свободные заряды продолжают двигаться по инерции.

Однако никаких количественных результатов Мандельштам и Папалекси не получили, и наблюдения их опубликованы не были. Честь назвать опыт своим именем принадлежит Стюарту и Толмену, которые не только наблюдали указанный электроинерционный эффект, но и произвели необходимые измерения и расчёты.

Установка Стюарта и Толмена показана на рис. 3.

Рис. 3. Опыт Стюарта–Толмена

Катушка большим числом витков металлического провода приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы обмотки с помощью скользящих контактов были подсоединены к специальному прибору — баллистическому гальванометру, который позволяет измерять проходящий через него заряд.

После резкого торможения катушки в цепи возникал импульс тока. Направление тока указывало на то, что он вызван движением отрицательных зарядов. Измеряя баллистическим гальванометром суммарный заряд, проходящий по цепи, Стюарт и Толмен вычислили отношение заряда одной частицы к её массе. Оно оказалось равно отношению для электрона, которое в то время уже было хорошо известно.

Читайте также:  В металлическом проводнике электрический ток это направленное движение тест ответы

Так было окончательно выяснено, что носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны. Как видите, этот давно и хорошо знакомый вам факт был установлен сравнительно поздно — учитывая, что металлические проводники к тому моменту уже более столетия активно использовались в самых разнообразных экcпериментах по электромагнетизму (сравните, например, с датой открытия закона Ома — 1826 год. Дело, однако, заключается в том, что сам электрон был открыт лишь в 1897 году).

Какой металл лучше проводит ток?

  • Сразу замечу, что у тех, у кого меньше примесей и будут лучшими. Ну а по металлам как-то вот так распределилось, всего 3 металла:
    1. Самый лучший — это серебро — сопротивление порядка 0,015 — 0,016 ом х мм2/м

Медь — сопротивление порядка 0,01720,018 ом х мм2/м

  • Алюминий — сопротивление порядка 0,026 — 0,029 ом х мм2/м
  • Самый лучший проводник — серебро:) Потом идет медь. Если нужно, чтобы провод не окислялся, то используют золото. А так fatalex верно подметил — при разных температурах все по-разному=)
  • Пальму первенства по наиболее скоростной передаче тока можно отдать всем известному серебру.

    Порой вместо серебра могут использовать для передачи тока другой материал, поскольку помимо электропроводности порой играет большую роль реакция металла на коррозию.

  • Тут надо упомянуть при какой температуре. Т.к. при сверх-низких температурах ни один хорошо проводящий ток металл как серебро или медь, уже не становиться хорошим проводником. Тут на оборот лидируют металлы с плохой проводимостью (титан, ртуть, свинец и т.д.) И при сверх низких температурах ток начинают проводить не только металлы, а как не странно на первый взгляд соединения которые в обычных условиях ток проводят довольно плохо (соединения ванадия с кремнием или кальцием, рубидия с таллием, молибдена с азотом и др.)
  • Самый лучший но и дорогой проводник это золото, но медь примерно уступает на немного золоту, потом уже алюминий.
  • Я ещ со школьной скамьи помню, что лучше всего проводит ток именно серебро. Второе место можно смело отдать меди. Ну а третье место принадлежит алюминию. Самое главное чтобы в металлах не было примесей, потому как они могут намного снизить способности к проводимости тока.
  • Этот вопрос довольно легкий, так как каждый ученик может узнать о лучшем проводнике из школьной программы.

    Самым лучшим проводником является конечно медь и серебро. Хуже всего проводит электрический ток свинец и ртуть. Золото можно считать тоже неплохим проводником, но оно значительно уступает, как серебру, так и меди.

  • Лидером в проводимости тока является серебро. Также отлично проводит ток всем известная медь. Именно она ныне наиболее часто используется для производства электропроводов. Далее следуют такие металлы как аллюминий и золото. Но так как золото — очень дорогой металл, то его редко используют в виде токопроводника. Хром, вольфрам тоже неплохо проводят ток.
  • Пожалуй первое место по тому, какой из металлов проводит ток занимает серебро. После него идут медь и затем третье место принадлежит алюминию. Но серебро не всегда используют для этих целей, так как оно неудобно в использовании. Его заменяют медью и золотом, смотря где используются.
  • Серебро, так как у этого металла самое малое удельное сопротивление при температуре 20*С. Удельное сопротивление это 1Ом на 1м длины и 1мм кв. сечения токоведущего элемента. Для сравнения, можно взглянуть на таблицу:
  • При нормальных условиях электрический ток лучше всего проводит серебро.

    Немного уступает серебру в проводимости медь, о зато оно более дешвое.

    Золото тоже довольно таки хороший проводник и у него есть преимущества, а именно то, что оно не окисляется, как те же медь и алюминий, к тому же оно очень пластично и из него можно вытянуть очень тонкую проволоку и из-за этого его даже используют в микроэлектронике и производстве микросхем и других деталей.

    Немного уступает в проводимости золоту алюминий, а его сравнительно дешвое производство делает его одним из самых популярных в электротехнике материалов, наряду с медью. Разве что ломаются алюминиевые провода гораздо легче, чем медные.

    Вот, пожалуй, так выглядит список чемпионов по проводимости среди металлов.

    Первое место в рейтинге по проводимости занимает серебро, вторая строчка принадлежит меди. Третье достойное место золоту. Четвертое место отдается алюминий. Как вы понимаете пропускная способность металла зависит от удельного сопротивления, чем оно ниже, тем выше проводимость.

    Источник

    

    Какую проводку лучше использовать – медную или алюминиевую

    Владимир СадовскийВладимир Садовский

    Перед началом капитального ремонта встает вопрос — какая проводка лучше медная или алюминиевая? Разобраться несложно, достаточно знать характеристики этих металлов и как они правильно используются.

    Что учесть при выборе проводки

    Медь и алюминий хорошо проводят электрический ток. Большая часть существующей проводки производится из этих металлов. Но между ними существуют отличия. Чтобы решить, какая проводка нужна в вашем случае, необходимо учесть следующие факторы:

    Кабель алюминиевый АПВ 2х2,5

    1. Медный провод выдерживает больший ток, если говорить о равном сечении.
    2. Алюминий обладает более высоким удельным электрическим сопротивлением. При одинаковых пропускаемых мощностях он нагревается сильнее меди.
    3. Кабеля из меди стоят дороже. Этот металл менее распространен в природе.
    4. Алюминий ломкий. Это вызывает трудности при монтаже.

    Алюминиевый провод, выпущенный несколько десятилетий назад, качественно отличается по механическим свойствам. Даже с учетом пройденного времени, он мягче и удобнее. По этому признаку можно отличить качественную проводку.

    Технические характеристики проводов

    Характеристики кабелей разнятся между собой. Оба металла имеют сильные и слабые стороны. Эти параметры необходимо знать для правильного выбора, монтажа и обслуживания проводки в квартире. Для их сравнения следует учесть ряд критериев.

    Удельное электрическое сопротивление

    Эта величина показывает связь между материалом проводника и электрическим сопротивлением. От этого параметра зависит, какой максимальный ток сможет пропустить кабель без перегрева и расплавления изоляции.

    Металл Удельное электрическое сопротивление, Ом*мм2/м
    Медь 0,017
    Алюминий 0,028

    Из таблицы следует, что при равных длинах и сечениях сопротивление алюминиевых проводов будет в 1,67 выше. Отсюда более высоким будет и нагрев при равных токах.

    У меди меньше сопротивление поэтому можно обойтись кабелем меньшего сечения

    к содержанию ↑

    Теплопроводность

    Данный параметр характеризует возможность проводника рассеивать лишнее тепло. Это свойство важно принять во внимание, ведь на кабеле не должно быть локальных перегревов. Для учета этого параметра применяет коэффициент теплопроводности. Чем он выше, тем лучше металл рассеивает температуру.

    Металл Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*°C)
    Медь 389,6
    Алюминий 209,3

    Очевидно, что превосходство меди сохраняется. Она рассеивает тепло в 1,86 раза эффективнее.

    Высокая теплопроводность меди позволяет пропускать ток большей мощности

    к содержанию ↑

    Температурный коэффициент сопротивления

    Температура проводки влияет на электрическое сопротивление. Отсюда будет меняться и падение напряжение в электросети. Связь между нагревом и проводимостью кабеля характеризуется температурным коэффициентом сопротивления.

    Металл Температурный коэффициент сопротивления
    Медь 0,043
    Алюминий 0,042

    Таблица показывает, что сопротивления металлов при нагреве ведут себя практически одинаково.

    Вес кабелей из алюминия и меди

    От этого параметра будет зависеть удобство монтажа и стоимость проводки. Вес вещества первостепенно зависит от плотности.

    Металл Плотность, кг/м3
    Медь 8900
    Алюминий 2700

    При равных объемах соотношение масс меди и алюминия составляет 3,3 раза. Для квартирной проводки этот фактор некритичен. Но для монтажа воздушных линий электропередач вес токоведущей жилы играет значимую роль. В данном случае алюминий выигрывает. Его масса ощутимо меньше.

    Из-за меньшего веса алюминиевый провод исползуется на воздушных линиях электропередачи

    к содержанию ↑

    Прочность при растяжении

    Это свойство применимо к воздушным линиям. Проводник должен выдерживать свой вес и круглогодичные растяжения из-за летней жары и зимних морозов. Прочность металлов определяется их временным механическим сопротивлением.

    Металл Временное сопротивление, МПа
    Медь 200-250
    Алюминий 80-120

    Таблица показывает, что медь на разрыв в 2 раза прочнее.

    Период эксплуатации

    Время эксплуатации кабеля зависит от условий среды. Если говорить о квартирной проводке, то срок службы рассматриваемых кабелей имеет существенные отличия.

    Металл Ориентировочный период эксплуатации, лет
    Медь 30
    Алюминий 15

    В старых домах проводку выполняли из алюминия. Она до сих пор исправно служит. Однако с цифрами не поспоришь. Срок службы медной проводки в 2 раза больше.

    Медные провода отличаются больше долговечностью

    к содержанию ↑

    Какая проводка нужна для квартиры

    В советское время для прокладки проводки использовали алюминиевые кабели. Самыми мощными потребителями электроэнергии были стиральные машины и холодильники. Они брали из сети по паре сотен ватт. С такими низкими нагрузками алюминий справлялся на ура.

    Сейчас же люди используют электрические чайники (2 кВт), пылесосы (1-2 кВт) и прочие мощные бытовые приборы. Провода из алюминия в таких условиях перегреваются и отгорают. Поэтому в современной квартире можно использовать только медную проводку.

    Дополнительная информация. Независимо от того, используется алюминиевая или медная проводка, стоит учитывать и материал изоляции. Должно быть соответствие требованиям пожарной безопасности. Изоляция выполняется из негорючих материалов. Особенно эти нормы контролируются в местах скопления людей.

    Плюсы и минусы алюминиевых кабелей

    Провода из меди по ряду технических характеристик превосходят алюминиевые. Но кабеля из серебристого металла по-прежнему востребованы и находят свое применение. Объясняется это достоинствами, которыми обладает алюминиевая проводка:

    Электропроводка, выполненная из алюминиевой лапши обойдется дешеле

    • малый вес и податливость при монтаже;
    • дешевизна;
    • устойчивость к окислению.

    Не обходится и без недостатков:

    • плохая тепло- и электропроводность;
    • высокое сопротивление и его зависимость от температуры;
    • низкая прочность, ломкость.

    Важно! Работая с алюминиевыми кабелями, необходимо помнить об их низкой прочности. Если загнуть токоведущую жилу 3-7 раз, то с огромной вероятностью она сломается. Если надлом будет под изоляцией кабеля, то он может остаться незамеченным вплоть до окончания ремонта.

    Преимущества и недостатки проводов из меди

    Использование меди требует ПУЭ. Такие провода более пригодны для передачи электрического тока. Они обладают следующими достоинствами:

    Согласно ПУЭ электропроводку в жилых помещениях следует выполнять медным кабелем

    • высокая тепло- и электропроводимость;
    • устойчивость к воздействию окружающей среды;
    • прочность;
    • удобство укладки проводов.

    к содержанию ↑

    Скрутка из меди с алюминием

    Кабеля из алюминия категорически запрещено скручивать с медными. Эти металлы обладают разными электрохимическими свойствами. Полученный контакт перегревается, окисляется и начинает обгорать. Отсюда и все вытекающие последствия вроде дыма и пожара.

    Как соединить медь с алюминием

    Для правильного соединения можно воспользоваться промежуточным проводником. Подключить медный и алюминиевый провод через железный болт с аналогичными шайбами и гайками.

    Болтовое соединение меди и алюминия

    Другой распространенный метод — специальные зажимы Wago с токопроводящей смазкой. Соединение выйдет существенно дороже, но проще, быстрее и компактнее.

    Нужно ли менять алюминиевую проводку на медную

    Если старая алюминиевая проводка справляется с текущими нагрузками, то можно и не менять. Ревизия электросети в квартире — дело нелегкое и пыльное. Придется сверлить, штукатурить и, по сути, сделать капитальный ремонт. Эти мероприятия потратят кучу времени и денег.

    Если же проводка не справляется, то она подлежит замене. Делать это следует как можно скорее. Признаки того, что провод не выдерживает нагрузку, таковы:

    • перегрев свыше 40-50 °C (рука почти не терпит);
    • запах гари;
    • деформация изоляции из-за оплавления;
    • потемнение кабелей;
    • трещины на изоляции.

    Дополнительная информация. Трещина может быть и незаметной. Если стена или окружающий воздух отсыреют, то через поврежденную изоляцию возможно протекание токов утечки. Они будут приводить к постоянным ложным срабатываниям противопожарного УЗО.

    Другое дело, если вы делаете ремонт. В таком случае желательно заодно заменить и проводку на более мощную медную. Того же рекомендует и ПУЭ.

    Материал проводки — самый важный ее параметр. От него зависят максимальные нагрузки, которые можно передать по кабелям. Влияет материал и на пожарную безопасность, срок службы и надежность электрической системы.

    Замена электропроводки в квартире

    Медные кабели более пригодны для передачи электричества, чем алюминиевые. Об этом говорят их технические параметры и ПУЭ. Поэтому ответственную проводку выполняют из меди. Неответственные и временные электрические сети прокладываются алюминием.

    Источник

    Лучшие проводники электрического тока

    Процессы в электропроводниках

    При использовании электроприборов человек постоянно сталкивается с веществами, которые являются проводниками, полупроводниками и диэлектриками, не проводящими ток. Эти материалы отличаются степенью электропроводности. Для того чтобы работать с бытовой техникой, необходимо знать все их особенности и характеристику. Выбрать лучший проводник электрического тока можно из металлов.

    Особенности понятия

    Особенности понятия

    Проводниками тока называют те вещества, в которых количество свободных электрических зарядов превышает число связанных. Они могут начинать двигаться под влиянием внешней силы. Состояние материалов может быть газообразным, твёрдым и жидким. Электричество может протекать по металлической проволоке, если её подключить между двумя проводниками с разными потенциалами.

    Ток переносят электроны, не связанные между собой атомами. Именно они способны охарактеризовать способность предмета пропускать через себя электрические заряды, или величину проводимости тока. Её значение обратно пропорционально сопротивлению, она измеряется в сименсах: См = 1/Ом.

    Основные носители электричества в природе — это ионы, дырки и электроны. Поэтому способность к проводимости делят на три вида:

    • ионную;
    • электронную;
    • дырочную.

    Приложенное напряжение даёт возможность оценить качество проводника. Эту способность вещества называют ещё вольт-амперной характеристикой.

    Первый и второй род

    После того как получилось разобраться с тем, что проводит электрический ток, нужно узнать особенности некоторых веществ. Проводники могут быть разными — металлическая проволока, морская вода. Но в них ток различается, поэтому вещества делят на две группы:

    • первого рода, в которых электричество протекает по электронам;
    • второй вид — на основе ионов.

    Первый и второй род

    К первым относят все металлы и углерод. Ко второму роду относят щелочи, кислоты, соляные расплавы — электролиты. В них ток представляет упорядоченное движение отрицательных и положительных ионов. Электричество в таких материалах протекает при любом показателе напряжения. В обычных условиях хороший проводник электрического тока — это изделие из золота, серебра, алюминия или меди.

    Их двух последних материалов изготавливают кабели, отличающиеся низкой стоимостью. Качественное жидкое вещество, проводящее ток — ртуть, а также ток хорошо протекает через углерод. Но это вещество не обладает гибкостью, поэтому на практике его не применяют. Хотя физики недавно смогли представить углерод в форме графена, что позволило из его нитей изготавливать шнуры.

    У графеновых изделий сопротивление такое, что оно является недопустимым для проводников. Их позволительно использовать только в нагревателях. В этом случае металлические провода из никеля и хрома проигрывают, так как они не могут выдержать очень высокую температуру. Спирали в лампах дневного света изготавливают из вольфрама. Этот материал способен накаливаться, так как вещество является тугоплавким.

    Процессы в электропроводниках

    Проводники тока

    Во время протекания электричества проводник попадает под определённое воздействие. Самое главное — это повышение температуры. А также выделяют некоторые химические реакции, которые могут изменить физические свойства вещества. Более всего такому влиянию подвергаются проводники второго рода. В них протекает химическая реакция, которую называют электролизом.

    Ионы веществ около электрических полюсов получают необходимый заряд и восстанавливают исходное состояние, которое было у них до образования щелочи, кислоты или соли. С помощью электролиза химики и физики могут получать чистые химические вещества из природного сырья. Таким образом создают алюминий и другие виды металлов.

    Что проводит электрический ток

    Вещества первого и второго рода участвуют в других процессах, кроме проводимости электричества. К примеру, во время взаимодействия кислоты со свинцом возникает химическая реакция, которая вызывает выделение тока. По такому принципу работают все аккумуляторы. Проводники первой группы при контакте друг с другом могут изменяться. Медь и алюминий при эксплуатации нужно покрывать специальной оболочкой, иначе оба металла просто расплавятся. Влажный воздух приведёт к тому, что произойдёт электрохимическая реакция. Поэтому проводники покрывают слоем лака или другого защитного материала.

    Некоторые проводники не могут оказывать электричеству сопротивление при холодном воздухе. Такое явление называют сверхпроводимостью, которая соответствует значению температуры, близкой к химическому состоянию жидкого гелия. Но исследования привели к тому, что есть новые проводники с высокими показателями температуры.

    Такие вещества были открыты в 20 веке. Керамика из кислорода, бария, меди и лантана при обычных условиях не проводит ток, но после нагревания становится сверхпроводником. На практике выгодно использовать вещества, которые могут пропускать электричество при 58 градусах по Кельвину и выше — температуре, превышающей отметку кипения азота.

    Жидкость и газы, проводящие ток, используют реже твёрдых веществ. Но и они необходимы для изготовления современных электрических приборов.

    Фотография Валерия Александровича

    Ладыжин Валерий

    Источник

    Электрический ток в металлах

    Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.

    Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты (1913 г.) принадлежат русским физикам Л.И. Мандельштаму и Н.Д. Папалекси В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.

    Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рис. 1.12.1. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру Г. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.

    Схема опыта Толмена и Стюарта

    При торможении вращающейся катушки на каждый носитель заряда e действует тормозящая сила которая играет роль сторонней силы, то есть силы неэлектрического происхождения. Сторонняя сила, отнесенная к единице заряда, по определению является напряженностью Eст поля сторонних сил:

    Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая сила , равная

    где l – длина проволоки катушки. За время торможения катушки по цепи протечет заряд q, равный

    Здесь I – мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, υ – начальная линейная скорость проволоки.

    Отсюда удельный заряд e / m свободных носителей тока в металлах равен:

    Все величины, входящие в правую часть этого соотношения, можно измерить. На основании результатов опытов Толмена и Стюарта было установлено, что носители свободного заряда в металлах имеют отрицательный знак, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было установлено, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.

    По современным данным модуль заряда электрона (элементарный заряд) равен

    а его удельный заряд есть

    Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема.

    Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории. Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла (рис. 1.12.2).

    Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов

    Из-за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так называемый потенциальный барьер. Высота этого барьера называется работой выхода. При обычных (комнатных) температурах у электронов не хватает энергии для преодоления потенциального барьера.

    Из-за взаимодействия с кристаллической решеткой потенциальная энергия выхода электрона внутри проводника оказывается меньше, чем при удалении электрона из проводника. Электроны в проводнике находятся в своеобразной «потенциальной яме», глубина которой и называется потенциальным барьером.

    Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в тепловом движении. Ионы совершают тепловые колебания вблизи положений равновесия – узлов кристаллической решетки. Свободные электроны движутся хаотично и при своем движении сталкиваются с ионами решетки. В результате таких столкновений устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это позволяет оценить среднюю скорость теплового движения электронов по формулам молекулярно-кинетической теории. При комнатной температуре она оказывается примерно равной 10 5 м/с.

    При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток. Среднюю скорость дрейфа можно оценить из следующих соображений. За интервал времени Δt через поперечное сечение S проводника пройдут все электроны, находившиеся в объеме

    Число таких электронов равно , где n – средняя концентрация свободных электронов, примерно равная числу атомов в единице объема металлического проводника. Через сечение проводника за время Δt пройдет заряд Отсюда следует:

    или

    Концентрация n атомов в металлах составляет 10 28 –10 29 м –3 .

    Оценка по этой формуле для металлического проводника сечением 1 мм 2 , по которому течет ток 10 А, дает для средней скорости упорядоченного движения электронов значение в пределах 0,6–6 мм/c. Таким образом,

    средняя скорость упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше средней скорости их теплового движения

    Рис. 1.12.3 дает представление о характере движения свободного электрона в кристаллической решетке.

    Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа сильно преувеличены

    Малая скорость дрейфа на противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического поля со скоростью c = 3·10 8 м/с. Через время порядка l / c (l – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля и в ней начинается упорядоченное движение электронов.

    В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом поле энергию и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.

    Несмотря на то, что все эти допущения являются весьма приближенными, классическая электронная теория качественно объясняет законы электрического тока в металлических проводниках.

    Закон Ома. В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равная по модулю eE, в результате чего он приобретает ускорение . Поэтому к концу свободного пробега дрейфовая скорость электрона равна

    где τ – время свободного пробега, которое для упрощения расчетов предполагается одинаковым для всех электронов. Среднее значение скорости дрейфа равно половине максимального значения:

    Рассмотрим проводник длины l и сечением S с концентрацией электронов n. Ток в проводнике может быть записан в виде:

    где U = El – напряжение на концах проводника. Полученная формула выражает закон Ома для металлического проводника. Электрическое сопротивление проводника равно:

    а удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются соотношениями:

    Закон Джоуля-Ленца.

    К концу свободного пробега электроны под действием поля приобретают кинетическую энергию

    Согласно сделанным предположениям вся эта энергия при соударениях передается решетке и переходит в тепло.

    За время Δt каждый электрон испытывает Δt / τ соударений. В проводнике сечением S и длины l имеется nSl электронов. Отсюда следует, что выделяемое в проводнике за время Δt тепло равно:

    Это соотношение выражает закон Джоуля-Ленца.

    Таким образом, классическая электронная теория объясняет существование электрического сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля–Ленца. Однако в ряде вопросов классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом.

    Эта теория не может, например, объяснить, почему молярная теплоемкость металлов, также как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3R, где R – универсальная газовая постоянная (закон Дюлонга и Пти, см. ч. I, § 3.10). Наличие свободных электронов на сказывается на величине теплоемкости металлов.

    Классическая электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов. Теория дает соотношение , в то время как из эксперимента получается зависимость ρ

    T. Однако наиболее ярким примером расхождения теории и опытов является сверхпроводимость.

    Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. При более низких температурах порядка нескольких кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. Однако наибольший интерес представляет удивительное явление сверхпроводимости, открытое датским физиком Х.Каммерлинг-Онесом в 1911 году. При некоторой определенной температуре Tкр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис. 1.12.4). Критическая температура у ртути равна 4,1 К, у аллюминия 1,2 К, у олова 3,7 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у элементов, но и у многих химических соединений и сплавов. Например, соединение ниобия с оловом (Ni3Sn) имеет критическую температуру 18 К. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах. В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.

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

    Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают исключительными свойствами. Практически наиболее важным их них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи.

    Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений.

    Научный интерес к сверхпроводимости возрастал по мере открытия новых материалов с более высокими критическими температурами. Значительный шаг в этом направлении был сделан в 1986 году, когда было обнаружено, что у одного сложного керамического соединения Tкр = 35 K. Уже в следующем 1987 году физики сумели создать новую керамику с критической температурой 98 К, превышающей температуру жидкого азота (77 К). Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота, было названо высокотемпературной сверхпроводимостью. В 1988 году было создано керамическое соединение на основе элементов Tl–Ca–Ba–Cu–O с критической температурой 125 К.

    В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями Tкр. Ученые надеятся получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если это произойдет, это будет настоящей революцией в науке, технике и вообще в жизни людей.

    Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.

    Источник