Реферат: Електрони та їх роль в електричному струмі
- 6 -
У 1916 р. дослід у трохи зміненому варіанті повторили Толмен і Стюарт , які виявили струм чутливим гальванометром . За відхилення стрілки гальванометра можна було визначити , що струм утворювався рухом негативних зарядів . У цьому ж досліді знову вдалося визначити відношення заряду електрона до його маси .
Виникає запитання , звідкіля беруться вільні електрони в металі , чому вони не надають йому негативного заряду , якщо вони вільні ? У кристалі металу вільні електрони рухаються між вузлами решітки безладно , подібно до того , як рухається молекули газу (мал. № 4).Хоч молекули мають велику швидкість , вони не проносяться , як кулі , від однієї стінки до іншої . У результаті взаємодії із сусідами вони виписують складні траєкторії . Так само й електрони описують подібні складні траєкторії у результаті “зіткнень” з вузлами решітки і між собою . Звідки виник вираз “електронний газ “ для того , в якому перебувають вільні електрони в металі .
Зрозуміло , не треба спрощено уявляти собі “зіткнення “ електронів . У дійсності взаємодія полів окремих електронів та іонів змінює напрям і модуль їхніх швидкостей . Під час ” зіткнень”
електрони розлітаються зовсім не від справжнього їх доторкання .
Внаслідок безладного руху вільних електронів у металі і величезної кількості електронів в одиниці об’єму в одному якому-небудь напрямі рухається стільки ж електронів , скільки їх рухається в протилежному напрямі .
Тому , коли немає зовнішнього електричного поля , сумарний заряд , що переноситься в будь-якому напрямі , дорівнює нулю , тобто струму немає . А те , що сума всіх негативних зарядів електронів дорівнює сумі всіх позитивних зарядів іоні , пояснює , чому загальний заряд металу також дорівнює нулю .
Якщо до кінців дроту прикласти електричну напругу , приєднавши їх , наприклад , до полюсів акумулятора , то в провіднику встановиться електричне поле . Воно діятиме на електричні заряди й спричинюватиме їх додатковий рух . В електронному газі виникає “електричний вітер” у напрямі до позитивного полюса , але при цьому електрони збережуть і
- 7 -
безладний рух . Повна аналогія до того , як у повітряних масах , що їх гонить вітер , зберігається хаотичний , тепловий рух молекул .
Перед нами “дрейф “ електронів . Внаслідок зіткнень , точніше , впливу атомних полів , середня швидкість “ дрейфу “ електронів у провіднику залишається сталою (мал. № 5 ) .Тут маємо випадок , подібний до падіння в повітрі сніжинок або пушинок . Незважаючи на сталу дію сили тяжіння , вони падають не в рівномірно прискореному русі , як це було б безповітряному просторі , а в середньому рівномірному .
Яка ж швидкість електричного струму ?
Швидкість руху окремих електронів протягом їх вільного пробігу величезна і досягає більше ста кілометрів за секунду , але швидкість упорядкованого руху електронів мала .Весь час затримуючись і відхиляючись від курсу , електрони переміщується
вперед повільніше , ніж равлик . Равлик проповзає за 1 с. в
2 середньому 1мм., електрон у мідному дроті перерізом 1мм при силі
струму 6 А переміщується в напрямі проводу з швидкістю0,03 см/c.
Але чи можна сказати , що швидкість електричного струму в проводах мала ? Адже досить повернути вимикач , і електричні лампи негайно засвічуються .Щоб зрозуміти це , потрібно з’ясувати для себе , що саме ми розуміємо під швидкістю струму. Це не швидкість поширення руху електронів – це швидкість поширення електромагнітного поля, що зумовлює напрямлений рух електронів.
Швидкість поширення електромагнітного поля дорівнює 300000м/c.
Електрони входять до складу всіх елементів . Але чому різні речовини мають різну провідність щодо електричного струму ? Щоб з’ясувати це , звернемося до теорії будови атомів . Тепер відомо понад 100 різних елементів . Вивчати їх властивості допомагає періодична система Менделєєва . Розмістивши елементи за періодами , він склав таблицю , в якій хімічно споріднені елементи утворили групи , подібні за властивостями . Пізніше електронна атома розкрила фізичну причину періодичного закону Менделєєва .
Хімічні властивості елементів залежать від характеристики групування електронів навколо ядра . Електрони обертаються
- 8 -
навколо ядра , розміщуючись послідовно в різно віддалених від нього шарах електронів може бути не більше ніж 2, 8, 18, 32.
При цьому на крайній зовнішній оболонці електронів не може бути більше 8. Це наочно показано в таблиці елементів нульової групи
(інертних газів ) .
| ЕЛЕМЕНТ | ПОРЯДКОВИЙ НОМЕР | Кількість електронів у 1-6 оболонках |
| He | 2 | 2 |
| Ne | 10 | 2,8 |
| Ar | 18 | 2,8,8 |
| Kr | 36 | 2,8,18,8 |
| Xe | 54 | 2,8,18,18,8 |
| Rn | 86 | 2,8,18,32,8 |
В елементів інших груп зовнішня оболонка не заповнена , тобто має менше 8 електронів . У першій групі на зовнішній оболонці є один електрон , у другій –2 і т.д. Схеми атомів нульової групи ( He , Na ) і першої групи ( Li , Na ) показують , що єдиний електрон обертається на зовнішній , найвіддаленішій орбіті елементів літію і натрію , порівняно з розміщенням електронів в атомах гелію і неону . Віддаленість від ядра означає й значне ослаблення зв’язку між зарядами ядра і електрона . Такий електрон може покинути свій атом і перейти до сусіднього атома , потім до іншого і т.д. Властивість втрачати свої зовнішній електрони мають також інші метали . Цю особливість легко пояснити , бо кількість електронів на зовнішній оболонках атомів металу 1,2,3.
Метали – “розтратники “ електронів . Вивільнені електрони й надають металу доброї електропровідності . Кількість вільних електронів у металах близька до кількості атомів у металі , в усякому разі вона дуже велика .Це пов’язано з тим , що від кожного атома , як уже було сказано , відокремлюється по одному або й більше електронів які й “блукають “ між позитивними іонами решітки . Іони решітки перебувають при цьому в коливальному стані . Під час проходження струму “дрейфуючі “ електрони , стикаючись з іонами , віддають набуту від зовнішнього поля енергію , тому коливання решітки посилюється – металевий провідник нагрівається струмом .
- 9 -
Опір металів залежить також від температури . З підвищенням температури він збільшується , бо “пробиватись “ електронам серед іонів , які швидко коливаються , важче , ніж у тому разі , якби іони рухалися повільніше або зовсім були нерухомими .
- 10 -
3 . Як Ом математично розробляв свій закон .
Перші свої досліди Ом провадив , користуючись власноручно виготовленим вольтовим стовпом і гальваноскопом. При цьому він помітив , що сила струму в електричному колі падає після його замикання . Після розмикання кола батарея через якийсь час знову відновлюється . Даючи відгук про одного з перших праць Ома , видавець журналу фізик Поггендорф зазначив , що було б бажано , щоб автор повторив свої експерименти з більш сталим джерелом струму , а саме з термоелементом . Ом почав використовувати термоелемент із зігнутих під прямим кутом вісмутової і мідної смужок , кінці яких скріплювалися гвинтами . Один кінець термоелемента був у киплячій воді , а другий – обкладали танучим льодом . Від полюсів дротини опускались в чашки з ртуттю . Коло замикалося дротинами різної довжини , що приєднувалися до тих самих чашок . Силу струму визначали його дією на магнітну стрілку , підвішену на нитці над дротиною , що йде від термоелемента . Закручуючи нитку в бік , протилежний відхиляючий дії сили струму , вдавалося повернути її до початкового положення , в площину магнітного меридіана . В одному з дослідів Ома мідні дротини , які він вмикав в коло , послідовно замінюючи їх , мали довжину 2,4,6,10,18,34,66,180 дюймів і товщину 7/8 лінії ( 1 лінія = 1/10 дюйма ). Силу струму вимірювали за кутом закручування нитки. Це дало такі результати :
| Довжина дроту в дюймах | 2 | 4 | 6 | 10 | 18 | 34 | 66 | 130 |
| Кут закручування нитки , градуси | 305,25 | 281,5 | 259 | 224 | 178,5 | 124,75 | 79 | 47,5 |