Электропроводность металлов
Что такое электропроводность металлов
Электропроводностью называют способность материалов и сред пропускать через себя электричество.
Электрическая проводимость является одним из свойств материальных тел и сред определенного состава. Этим качеством обусловлено возникновение в объектах и субстанциях электротока, что связано с действием на них электрического поля. В информационных источниках встречается расшифровка термина, обозначающая физическую величину, определяющую способность к проведению электричества. Рассматриваемый механизм противопоставлен электрическому сопротивлению.
В физике и химии существует понятие удельной электропроводности. Определение, выражающее способность проводить электрический ток материалов и веществ, также используют для обозначения этой величины.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
В процессе изучения темы следует понимать, что под электрической проводимостью металлов подразумевается возможность материалов проводить постоянный ток, то есть пребывать в условиях воздействия постоянного поля. Озвученная способность отличается от характерного свойства для диэлектрических объектов, взаимодействующих с переменным электрическим полем.
В чем измеряется
Согласно Международной системе единиц СИ способность металлов проводить электричество измеряют в сименсах. Расчет этой величины выполняют по формуле:
\(1 См = 1 Ом^{-1}\)
Таким образом, с помощью указанного соотношения несложно рассчитать, какова электропроводность на отрезке электросети, сопротивление которой составляет 1 Ом.
Классическая теория электропроводности металлов
В классической теории, описывающей свойства металлов проводить электричество, зафиксированы следующие принципы:
- повышенная электропроводность обусловлена увеличенной концентрацией свободных электронов в структуре материала;
- формирование электрического тока связано с силой, изменяющей беспорядочное перемещение отрицательно заряженных частиц на структурированное движение в некоторой последовательности;
- с целью определения воздействия перемещающегося электротока используют ключевые положения закономерности Ома;
- разница в сопротивлении объектов возникает по причине количественного различия между элементарными частицами;
- формирование электричества наблюдается в моменте, когда происходит начало воздействия на частицы с отрицательным зарядом;
- при условии нагрева материалов заметен рост степени сопротивления.
Второй пункт из представленного списка считают ключевым. При детальном рассмотрении озвученного принципа следует сделать основной вывод. Свободные отрицательные частицы, пребывая в состоянии покоя, беспорядочно движутся вокруг ядра. При этом нельзя наблюдать формирование заряда. Ситуация меняется с подключением внешнего источника. После воздействия субатомные частицы мгновенно образуют структуру, перемещаясь по порядку и в определенной последовательности. Таким образом, происходит трансформация электронов в носители электротока.
Зависимость электропроводности от температуры
Путем опытных исследований получены данные об электропроводности металлических материалов. Измерения справедливы для стабильных характеристик внешней среды, когда температурный режим не меняется и составляет +20°C. На практике создать подобные климатические параметры, исключая вероятность изменений, достаточно сложно. По этой причине величина способности металлов пропускать электричество демонстрирует разные значения в тех или иных обстоятельствах применение.
Одним из ключевых факторов, определяющих электрическую проводимость, служит температура. Если температурные показатели растут, то это приводит к снижению способности объектов проводить электроток. Объяснить данное явление можно путем изучения процессов, происходящих в кристаллической решетке вещества. Нагрев приводит ионы в колебательное движение. В результате они играют роль барьера для последовательного перемещения свободных электронов.
Формулы
Удельная электропроводность представляет собой меру свойства материала пропускать электричество.
Согласно положениям закономерности Ома, в линейном изотропном веществе рассматриваемый параметр допустимо принимать за коэффициент, обозначающий пропорциональную связь между плотностью образованного электротока и показателем электрического поля в определенной среде. Посчитать значение удельной проводимости удобно с помощью формулы:
\({\vec {J}}=\sigma \,{\vec {E}}\)
В уравнении \sigma обозначает удельную электропроводность, \( \vec {J}\) выражает вектор плотности электрического тока, за \(\vec {E}\) принимают вектор напряженности, характерной для электрического поля.
При вычислении электрической проводимости, обозначенной за G, которой обладает некоторый проводниковый элемент длиной L с неизменным поперечным сечением площадью S, следует использовать такое соотношение:
\(G=\sigma {\frac {S}{L}}\)
При работе с металлами и решении задач по физике нередко применяют закономерность Видемана-Франца. Данный принцип справедлив в случае металлических материалов, подвергаемых термическому воздействию. С помощью рассматриваемого закона установлена взаимосвязь между удельной электропроводностью и коэффициентом теплопроводности:
\({\frac {K}{\sigma}}={\frac {\pi ^{2}}{3}}{\left({\frac {k}{e}}\right)^{2}}T\)
В выражении за k принимают константу Больцмана, с ее помощью обозначают элементарный заряд. Сформулированное соотношение базируется на факте наличия способности у металлов проводить электричество и тепловую энергию за счет передвижения свободных отрицательно заряженных частиц.
Примеры решения задач
Кристаллизация алюминия в решетке гранецентрированного кубического объекта характеризуется периодом идентичности а =0,4041 нм. Необходимо рассчитать концентрацию свободных электронов при условии, что для одного атома рассматриваемой структуры предусмотрено 3 отрицательно заряженных частицы.
Решение
Согласно строению изучаемого куба для одной простейшей ячейки сформировано две пары атомов. На основании изложенных данных вычислим количество атомов для единицы объема:
\(N = \frac{4}{а^{3}} = \frac{4}{(0,4041\cdot 10^{-9})^{3}} = 6,06 \cdot 10^{28} (м^{-3})\)
На следующем этапе можно приступить к определению концентрации электронов в алюминиевом объекте:
\(n = 3N = 18,18 \cdot 10^{28} (м^{-3})\)
Ответ: \(18,18 \cdot 10^{28} (м^{-3}).\)
Требуется определить протяженность свободного пробега отрицательных частиц для медного материала при температурном режиме, равном Т = 300 К. Принять удельное сопротивление при заданной температуре за 0,017 мкОм/м.
Решение
\( р = (\frac{3}{8\pi})^{\frac{1}{3}} \frac{h}{e^{2}n^{\frac{2}{3}}\overline{l}}\)
\(n = d\frac{N_{0}}{A} = \frac{8920 \cdot 6,02\cdot 10^{23}}{63,54 \cdot 10^{-3}} = 8,45 \cdot 10^{28} (м^{-3})\)
\(\overline{l} = (\frac{3}{8\cdot 3,14})^{\frac{1}{3}} \frac{6,62 \cdot 10^{-34}}{(1,6\cdot 10^{-19})^{2} (8,45 \cdot 10^{28})^{\frac{2}{3}} 0,017 \cdot 10^{-6}} = 3,89 \cdot 10^{-8} м\)
Ответ: \(3,89 \cdot 10^{-8} м.\)
Заметили ошибку?
Выделите текст и нажмите одновременно клавиши «Ctrl» и «Enter»
Нашли ошибку?
Текст с ошибкой:
Расскажите, что не так