Электропроводность и теплопроводность металлов объясняется

Высокая электропроводность — металл

К металлам относятся вещества, обладающие хорошей электрической проводимостью с удельным сопротивлением р 10 — 7 — — 10 — 8 ом-м, высокой теплопроводностью, вязкостью, ковкостью. Высокая электропроводность металлов объясняется тем, что валентные электроны принадлежат не отдельным атомам, а всей кристаллической решетке в целом. Эти электроны называют свободными. [31]

Приведенные положения позволяют объяснить характерные свойства металлов. Высокая электропроводность металлов объясняется присутствием в них свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положительному. С повышением температуры усиливаются колебания ионов ( атомов), что затрудняет прямолинейное движение электронов, в результате чего электросопротивление возрастает. При низких температурах колебательное движение ионов ( атомов) сильно уменьшается и электропроводность резко возрастает. Около абсолютного нуля сопротивление многих металлов практически отсутствует. Высокая теплопроводность металлов обусловливается как большой подвижностью свободных электронов, так и колебательным движением ионов ( атомов), вследствие чего происходит быстрое выравнивание температуры в массе металла. [32]

Приведенные положения позволяют объяснить характерные свойства металлов. Высокая электропроводность металлов объясняется присутствием в них свободных электронов, которые перемещаются в потенциальном поле решетки. С повышением темпера гуры усиливаются колебания ионов ( атомов), образуются вакансии и нарушается правильная периодичность потенциального поля, что затрудняет движение электронов, в результате чего электросопротивление возрастает. При низких температурах колебательное движение ионов ( атомов) сильно уменьшается и электропроводность возрастает. У некоторых металлов в результате образования пар электронов, движущихся упорядоченно при очень низких температурах ( 20К), электропроводность обращается в бесконечное и, — явление сверхпроводимости. Высокая теплопроводность металлов обусловливается большой подвижностью свободных электронов и в меньшей степени колебательным движением ионов. [33]

В отличие от ионных и ковалентных соединений металлы отличаются высокой электропроводностью и теплопроводностью. Высокая электропроводность металлов указывает на то, что электроны свободно могут передвигаться во всем его объеме. Иными словами металл можно рассматривать как кристалл, в узлах решетки которого расположены ионы, связанные электронами, находящимися в общем пользовании, т.е. в металлах имеет место сильно нелокализованная химическая связь. Совокупность электронов, обеспечивающих эту связь, называют электронным газом. [34]

Все металлы обладают высокой электропроводностью. Причина высокой электропроводности металлов заключается в слабой связи электронного газа с положительно заряженными ионами. Достаточно приложить небольшую разность электрических потенциалов к концам металлического тела, чтобы вызвать перемещение электронного газа — электрический ток. [36]

Положительно заряженные атомы валентная связи), окружены как бы электронным газом, который может свободно передвигаться. Этим объясняется высокая электропроводность металлов . [37]

Свободные электроны перемещаются по объему металла, как бы не замечая ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки. Этим и объясняется высокая электропроводность металлов . [38]

За счет обобществления электронов атомы становятся положительно заряженными ионами, которые обтекаются электронным газом, что и обусловливает связи между атомами ( ионами) в кристаллической решетке. Наличие электронного газа объясняет, в частности, высокую электропроводность металлов . [39]

Металлическая связь возникает при образовании из внешних ( относительно слабо связанных с ядром) электронов отрицательно заряженного электронного газа, в результате чего положительно заряженные ионы создают плотную, но пластичную кристаллическую решетку. Электроны, свободно перемещаясь между атомами, обеспечивают высокую электропроводность металлов . [40]

Металлическая связь осуществляется путем образования из внешних, относительно слабо связанных с ядром электронов отрицательно заряженного электронного газа, организующего положительно заряженные ионы в — плотную, но довольна пластичную кристаллическую решетку. Электроны легко перемещаются от атома к атому, обусловливая высокую электропроводность металла . Большинство металлов имеет одну из трех кристаллических решеток: гексагональную плотноупакованную, гранецентрированную кубическую или объ-емноцентрированную кубическую. Прочность металлической связи увеличивается с повышением концентрации электронного газа. [41]

Читайте также:  Дома из пеноблоков под ключ фото цена

Наличие свободных электронов во всех металлических структурах обусловливает существование некоторых общих свойств металлов. Так, со свободой перемещения электронов связаны хорошая теплопроводность и высокая электропроводность металлов . [42]

Таким образом, в металлах имеются положительно заряженные ионы, электроны и небольшое количество нейтральных атомов. Этот особый тип химической связи и обусловливает наличие определенных физических свойств. Высокая электропроводность металлов объясняется наличием свободных электронов. В электрическом поле беспорядочное движение электронов становится направленным: они перемещаются от отрицательного полюса к положительному. [43]

У металлов над полностью заполненными энергетическими зонами расположена зона, заполненная электронами частично. У Na частично заполненная зона образуется в результате расщепления наполовину заполненного уровня 3s, а в Mg — в результате расщепления заполненного уровня 3s и пустого уровня Зр. Высокая электропроводность металлов объясняется наличием частично заполненной зоны. Носителями тока являются здесь электроны в этой зоне, поскольку в ней имеется много свободных энергетических состояний. [44]

Металлическая связь характеризуется взаимодействием положительных ионов кристаллической решетки металла и свободных электронов, не связанных с определенными ионами и свободно перемещающихся в пределах кристаллической решетки. Электроны не связаны с определенными ионами и свободно перемещаются в металле. Этим определяется высокая электропроводность металлов . Неметаллы, такие, как кислород, сера, галогены, принимающие электроны от металла, являются окислителями. Легкость отдачи электронов их атомами определяет химическую активность металлов. По химической активности металлы различаются между собой. [45]

1.4 Электропроводность и теплопроводность металлов

σ = enu [Ом -1 см -1 ] 10 6 – 10 4

Электроны в металле благодаря ничтожной массе и размерам обладают значительной подвижностью. Обозначим эту подвижность через u [см 2 /(В с)]. Поэтому если к металлу приложить некоторую разность потенциалов, электроны начнут перемещаться от отрицательного полюса к положительному, тем самым создавая электрический ток. Удельная проводимость σ зависит от заряда электрона и концентрации носителей, которая у большинства металлов практически одинакова.

ρ = 1/ σ = RS/l; [Ом м]

lср – длина свободного пробега электрона

k – постоянная Больцмана

h – постоянная Планка

lср зависит от структуры металла. При одной и той же структуре она зависит от радиуса атомов

Чистые металлы, имеющие совершенную кристаллическую решетку, обладают наименьшим значением ρ. Дефекты кристаллической решетки увеличивают сопротивление вызывая рассеяние электронов.

При повышении температуры сопротивление увеличивается и причиной этого является интенсификация колебаний кристаллической решетки. Теплопроводность изменяется параллельно электропроводности.

1.5 Влияние различных факторов на удельную электропроводность.

(1) Зависимость удельного сопротивления проводников от температуры.

Для большинства металлов αρ = 1/273 = 0.004 К -1 . Исключение составляют металлы, относящиеся к магнетикам: Fe, Ni, Co и для них αρ отличается в 1.5 – 2 раза.

В настоящее время известно 23 металла, которые в интервале от 0.3 до 9.22 К обладают сверхпроводимостью

Таблица 1. Положение металлов, обладающих сверхпроводимостью.

Подуровни
Период
III (1) Al IV (4) Ti V Zn Ga V (7) Zr Nb Tc Ru Cd In V (1) La Hf Ta Re Os Hg Bi VII (2) Th U

В первом и втором периодах нет сверхпроводников. Нет их и в первой и второй группах.

1) Количество электронных уровней способствует проявлению сверхпроводящих свойств.

2) Большинство сверхпроводников относятся к d-элементам. У p-элементов их только 7, у f – только 2, у s – нет вообще.

Сверхпроводимость наблюдается у элементов, у которых число валентных электронов больше двух, но меньше шести, и отсутствуют ферромагнитные свойства.

(2) Влияние деформации на удельное сопротивление.

При деформациях (упругих растяжениях и сжатиях).

ρ1 = ρ(1±φσ), σ – механическое напряжение в сечении образца (в Паскалях), φ – коэффициент механического напряжения (Па -1 ).

Читайте также:  Выкройка платья свободного покроя со спущенным рукавом

Изменение ρ объясняется изменением амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла. Пластическая деформация увеличивает сопротивление вследствие изменения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем термической обработки, удельное сопротивление может быть вновь снижено до первоначального значения. Сжатие при деформации может привести к снижению ρ за счет уплотнения металла, натушения оксидных пленок и т.д. Некоторые металлы при высоком давлении переходят в сверхпроводящее состояние.

(3) Размерные эффекты.

Удельное сопротивление тонких пленок, толщина которых соизмерима с длиной свободного пробега электрона, больше, чем удельное сопротивление в толстых слоях. R численно равно R участка пленки, длина которого равна его ширине (при протекании тока через две его противоположные грани).

ρδ – удельное сопротивление пленки толщиной δ.

Температурный коэффициент удельного сопротивления тонких металлических пленок может быть с “+” и с “–”. При увеличении толщины пленки αρδ стремится к αρ в монолитных образцах.

(4) Сопротивление проводников при высоких частотах.

При высоких частотах электромагнитное поле проникает в технический проводник на большую глубину, большая часть тока сосредоточена у поверхности проводника. Поверхностное сопротивление RS = ρ/Δ, Δ – глубина проникновения тока.

(5) Связь между удельной теплопроводностью (λТ) и удельной проводимостью (σ)

Они изменяются параллельно λТ/σ = aT. При комнатных температурах (областьIII) σ

Т -1 , а λТ не зависит от температуры. При низких температурах (ниже Θ) теплопроводность возрастает, проходит через… и стремится к нулю.

при соприкосновении двух металлов возникает разность потенциалов. Причина ее возникновения заключается в различной концентрации электронов и различной работе выхода электронов. Если температура спаев одинакова, то суммарная разность потенциалов в замкнутой цепи равна нулю. Если температура спаев разная, то возникает термо-ЭДС, являющаяся функцией температуры.

Обычно закон Ома для проводников записывают в виде U = IR, где R — сопротивление проводника, зависящее от материала и формы проводника (в большинстве случаев и от температуры). Зависимость от формы проводника можно устранить, вводя новую величину, зависящую только от материала проводника (например, от вида металла), а именно, удельное сопротивление ρ, имеющее в системе СИ размерность в ом-метрах (Ом∙м).

E =ρ∙j

Это закон Ома в дифференциальном виде. В изотропном проводнике вектор плотности тока j параллелен вектору напряженности электрического поля Еи потоку заряженных частиц. В случае движения электронов электрический ток, как известно, направлен против их движения.

При изучении физических процессов дифференциальный закон Ома обычно записывают в виде j= E/ ρ = σ∙E, где σ – удельная проводимость материала. Единица, обратная ому, называется сименсом (См). Соответственно, единицей σ является сименс на метр (См/м).

В отсутствие электрического поля электроны (валентные) движутся хаотично с разными скоростями и равновероятно по направлениям. Поэтому вектор их средней тепловой скорости равен нулю. Но при наличии электрического поля появляется дополнительная составляющая скорости вдоль (но против) электрического поля. Теперь средняя скорость vср электронов вдоль поля (иногда называемая дрейфовой) уже не равна нулю, и можно написать плотность тока в виде

Эту скорость vср можно рассчитать следующим образом. Будем предполагать, что за единицу времени электрон испытывает столкновение с ионом с вероятностью, равной 1/τ. Имеется в виду, что для электрона вероятность испытать столкновение в течение бесконечно малого промежутка времени dt равна просто dt/τ. Время τ называют временем релаксации или временем свободного пробега. Оно играет фундаментальную роль в теории проводимости металлов. Из этого предположения следует, что электрон, выбранный наугад в настоящий момент времени, будет двигаться в среднем в течение времени τ до его следующего столкновения и уже двигался в среднем в течение времени τ с момента его предыдущего столкновения.

Читайте также:  Как сделать колесо для телеги из дерева

Рассмотрим какой-либо электрон в нулевой момент времени. Пусть t – время, прошедшее после его последнего столкновения. Скорость этого электрона в нулевой момент времени будет равна его скорости vо непосредственно после столкновения плюс дополнительная скорость –eEt/m, которую электрон приобрел после столкновения. Так как мы предполагаем, что после столкновения скорость электрона может иметь любое направление, вклад от vo в среднюю скорость электронов равен нулю, и поэтому она равна среднему значению величины — eEt/m. Однако среднее значение t равно времени релаксации τ. Поэтому имеем

vср= —eE τ/m , j = Е = σ∙E , σ =

Таким образом, мы получили линейную зависимость j от E и нашли для проводимости σ выражение, в которое входит только известные величины и время релаксации τ. Это время релаксации можно теперь определить из экспериментальных значений σ и оно оказывается при комнатных температурах порядка τ

Заметим, что в теории Друде распределение электронов по скоростям соответствует газокинетической теории в виде т.н. максвелловского распределения, т.е.

Оценки здесь средней тепловой скорости электронов дают значения порядка vTe

10 5 м/с. Эта скорость определяет среднюю длину свободного пробега электрона λ = vTe τ

10 -10 – 10 -9 м, что сравнимо с межатомными расстояниями в металле и тем самым, казалось бы, подтверждает разумность всех предпосылок теории Друде.

Другим впечатляющим успехом модели Друде в то время, когда она была предложена, явилось объяснение эмпирического закона Видемана и Франца (1853 г.), связывающего тепловые и электрические свойства металлов. Напомним, что в соответствии с известным уравнением Фурье, плотность потока тепла jq пропорциональна градиенту температуры T, что выражается, например, в одномерном случае в виде

где χ – коэффициент теплопроводности. Закон Видемана-Франца утверждает, что отношение коэффициентов теплопроводности и электропроводности χ/σ для большинства металлов прямо пропорционален температуре, причем коэффициент пропорциональности c достаточной точностью одинаков для всех металлов, т.е.

Для объяснения этой закономерности в рамках модели Друде предполагается, что основная часть теплового потока в металле переносится электронами проводимости. Это предположение основано на том эмпирическом наблюдении, что металлы гораздо лучше проводят тепло, чем диэлектрики. Соответствующие расчеты в рамках названной модели приводят к следующему значению коэффициента c:

с =

близкому к экспериментальным значениям этого коэффициента.

Несмотря на эти и некоторые другие успехи, у модели Друде, однако, довольно быстро были выявлены значительные изъяны. Например, в реальности, как выяснилось, тепловые скорости электронов в металлах более чем на порядок превышают рассчитанные по теории Друде. Кроме того, теория Друде не может объяснить появления при низких температурах длины свободного пробега электронов, в 1000 и более раз превышающую значение межатомного расстояния. Но наиболее впечатляющим недостатком модели Друде является невозможность объяснения практического отсутствия влияния электронов на теплоемкость металла. А ведь в соответствии с теорией свободных и независимых электронов каждый электрон должен был бы обладать средней энергией , что в итоге обеспечивало бы добавочный вклад не менее в молярную теплоемкость любого металла. Однако такой вклад не был обнаружен ни в одном эксперименте!!

Все указанные и многие другие недостатки модели Друде связаны с отсутствием учета квантово-механических явлений, рассмотренных далее. Справедливости ради надо указать, что во время формулирования модели Друде и проведения расчетов на ее основе развернутых квантовых представлений применительно к твердому телу еще не существовало.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock detector