- •Вступ Що вивчає фізика
- •Фізичні величини. Вимір фізичних величин
- •Спостереження і досліди - джерела фізичних знань.
- •Будова речовини
- •Розділ 1 механіка Механічний рух. Простір і час
- •Положення тіла або точки можна задати тільки відносно іншого тіла, яке називається тілом відліку.
- •Елементи кінематики
- •§1. Система відліку. Траєкторія, шлях, переміщення
- •Кінематикою називають розділ механіки, в якому рух тіл розглядається без з'ясування причин цього руху.
- •§2. Швидкість і прискорення руху
- •Прискорення
- •Приклад розв’язку задачі.
- •Рух тіл з прискоренням вільного падіння
- •§ 3. Рух по колу
- •Приклад розв’язку задачі.
- •Динаміка поступального руху
- •§4. Перший закон Ньютона. Маса. Сила
- •Динаміка - це розділ механіки, в якому вивчаються закони руху тіл і причини, які викликають, або змінюють ці рухи.
- •Взаємодія тіл. Сила.
- •Інерція. Маса тіла
- •Густина речовини
- •Перший закон Ньютона ( закон інерції)
- •§ 5. Другий закон Ньютона
- •§ 6. Третій закон Ньютона
- •§7. Сили в механіці. Закон всесвітнього тяжіння
- •Сила тяжіння.
- •Вага тіла Силу, з якою тіло внаслідок тяжіння до Землі діє на опору або підвіс, називають вагою тіла.
- •Невагомість
- •Сила тертя
- •Доцентрова сила
- •Відцентрова сила
- •Сила пружності. Закон Гука
- •§ 8. Закон збереження імпульсу
- •Тема 3 Робота і енергія
- •§ 9. Робота, енергія, потужність
- •Потужність. Одиниці потужності
- •Енергія. Закон збереження енергії.
- •Потенціальна енергія
- •Робота сили тяжіння дорівнює зміні потенціальної енергії тіла, узятій з протилежним знаком.
- •Робота сили пружності дорівнює зміні потенціальної енергії пружно деформованого тіла.
- •Закон збереження механічної енергії
- •Сума потенціальної і кінетичної енергії тіла або декількох тіл називається повною механічною енергією.
- •§ 10. Перетворення енергії і використання машин і механізмів. Коефіцієнт корисної дії
- •Розв’язок:
- •Тема 4 Динаміка обертального руху
- •§11. Рівновага тіл, які мають закріплену вісь обертання.
- •§12. Момент сили і момент інерції тіла відносно осі обертання.
- •Кінетична енергія обертального руху. Момент інерції.
- •Моменти інерції деяких тіл.
- •Теорема Штейнера.
- •§13. Основне рівняння динаміки обертального руху
- •§14. Момент імпульсу. Закон збереження моменту імпульсу
- •Розділ 2 основи молекулярної фізики і термодинаміки
- •Тема 5
- •Основні положення молекулярно-кінетичної теорії
- •§15. Дослідне підтвердження основних положень мкт Існування проміжків між частками
- •Малість розмірів часток речовини
- •Рух часток речовини
- •Дифузія
- •Взаємне притягання і відштовхування молекул
- •Швидкість руху часток і температура
- •Чим більша швидкість руху молекул тіла, тим вища його температура.
- •§16. Три стани речовини
- •§ 17. Кристалічні і аморфні тіла
- •Кристалізація аморфних тіл.
- •§ 18. Будова рідин
- •§ 19. Газоподібні тіла
- •Тема 6 Основні положення молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу § 20. Ідеальний газ і його параметри
- •§ 21. Рівняння стану ідеального газу
- •§ 22. Газові процеси
- •§ 23. Основне рівняння мкт газів
- •§24. Температура
- •§25. Розподіл молекул за швидкостями
- •§ 26. Барометрична формула.
- •§ 27. Короткі відомості про атмосферу.
- •§ 28. Розподіл Больцмана
- •§ 29. Явища переносу
- •Середня довжина вільного пробігу і число зіткнень за секунду молекул газу.
- •Дифузія.
- •Теплопровідність
- •Внутрішнє тертя (в'язкість)
- •Тема 7 Перший закон термодинаміки
- •§ 30. Внутрішня енергія
- •§ 31. Перший закон термодинаміки Способи зміни внутрішньої енергії
- •§ 32. Теплоємність
- •§ 33. Перший закон термодинаміки для різних термодинамічних процесів
- •§ 34. Адіабатичний процес
- •Тема 8 Другий закон термодинаміки
- •§ 35. Теплові двигуни. Термодинамічні цикли. Цикл Карно
- •Двигун внутрішнього згорання
- •§ 36. Незворотність теплових процесів. Другий закон термодинаміки
- •§ 37. Статистичний зміст ентропії
- •Питання і задачі :
- •Розділ 3 електромагнетизм
- •Тема 8 Електростатика
- •§ 38. Електричний заряд. Закон Кулона
- •§ 39. Електричне поле
- •Принцип суперпозиції електричного поля.
- •§ 40. Потік вектора напруженості електричного поля. Теорема Гауса для електричного поля у вакуумі
- •Лінії напруженості електричного поля
- •§41. Робота електричного поля по переміщенню заряду. Потенціал
- •§ 42. Діелектрики і провідники в електричному полі. Поляризація діелектриків. Електроємність. Конденсатори
- •Електрична ємність
- •З'єднання конденсаторів
- •При послідовному з'єднанні конденсаторів складаються зворотні величини ємностей.
- •§43. Енергія електричного поля
- •Енергія зарядженого конденсатора дорівнює роботі зовнішніх сил, яку необхідно витратити, щоб зарядити конденсатор.
- •Тема 9 Електричний струм
- •§ 44. Сторонні сили. Електрорушійна сила. Напруга
- •§ 45. Закон Ома
- •§ 46. Послідовне і паралельне з'єднання провідників. Правила Кірхгофа
- •При послідовному з'єднанні повний опір кола дорівнює сумі опорів окремих провідників.
- •Правила Кірхгофа для розгалужених кіл
- •§ 47. Робота і потужність струму. Закону Джоуля-Ленца
- •Робота dA електричного струму I, що протікає по нерухомому провідникові з опором r, перетвориться в теплоту dQ, що виділяється в провіднику.
- •§ 48. Класична теорія електропровідності металів
- •Закон Ома
- •Закон Джоуля-Ленца.
- •Нині ведуться інтенсивні роботи по пошуку нових речовин з ще вищими значеннями Tкр.
- •Тема 10 Магнітне поле і його характеристики.
- •§49. Закон Ампера. Взаємодія паралельних струмів
- •§ 50. Закон Біо - Савара - Лапласа
- •§ 51. Теорема про циркуляцію вектора індукції магнітного поля
- •§ 52. Сила Лоренца
- •Тема 11
- •§ 53. Магнітне поле в речовині
- •Тема 12 Електромагнітна індукція
- •§ 54. Явище електромагнітної індукції. Правило Ленца
- •§ 55. Самоіндукція. Енергія магнітного поля
- •Енергія магнітного поля
- •Література
- •Тема 1
- •Національна металургійна академія України
- •49600, Г. Дніпропетровськ 5, пр. Гагаріна, 4
- •Редакційно-видавничий відділ нМетАу
§ 48. Класична теорія електропровідності металів
Електричний струм в металах - це впорядкований рух електронів під дією електричного поля. Досліди показують, що при протіканні струму по металевому провідникові не відбувається перенесення речовини, отже, іони металу не беруть участі в перенесенні електричного заряду.
Найбільш переконливий доказ електронної природи струму в металах був отриманий в дослідах з інерцією електронів. Ідея таких дослідів і перші якісні результати належать російським фізикам Л. І. Мандельштаму і Н. Д. Папалескі (1913 р.). У 1916 році американський фізик Р. Толмен і шотландський фізик Б. Стюарт удосконалили методику цих дослідів і виконали кількісні виміри, що неспростовно довели, що струм в металевих провідниках обумовлений рухом електронів.
Схема досліду Толмена і Стюарта показана на рисунку 3.29. Котушка з великим числом витків тонкого дроту приводилася в швидке обертання навколо своєї осі. Кінці котушки за допомогою гнучких дротів були приєднані до чутливого балістичного гальванометра Г. Розкручена котушка різко гальмувалася, і в колі виникав короткочасних струм, обумовлений інерцією носіїв заряду. Повний заряд, що протікає по колу, вимірювався по відхиленню стрілки гальванометра.
Рисунок 3.29.
Хороша електропровідність металів пояснюється високою концентрацією вільних електронів, що дорівнює по порядку величини числу атомів в одиниці об'єму.
Припущення, що за електричний струм в металах відповідальні електрони, виникло значно раніше за досліди Толмена і Стюарта. Ще в 1900 році німецький учений П. Друде на основі гіпотези про існування вільних електронів в металах створив електронну теорію провідності металів. Ця теорія отримала розвиток в роботах голландського фізика Х. Лоренца і носить назву класичної електронної теорії. Згідно цієї теорії, електрони в металах поводяться як електронний газ, багато в чому схожий на ідеальний газ. Електронний газ заповнює простір між іонами, що утворюють кристалічні грати металу (рис. 3.30).
Рисунок 3.30.
Із-за взаємодії з іонами електрони можуть покинути метал, лише здолавши так званий потенціальний бар'єр. Висота цього бар'єру називається роботою виходу. При звичайних (кімнатних) температурах у електронів бракує енергії для подолання потенціального бар'єру.
Як іони, що утворюють кристалічні грати, так і електрони беруть участь в тепловому русі. Іони здійснюють теплові коливання поблизу положень рівноваги - вузлів кристалічної грати. Вільні електрони рухаються хаотично і при своєму русі стикаються з іонами грат. В результаті таких зіткнень встановлюється термодинамічна рівновага між електронним газом і гратами. Згідно теорії Друде-Лоренца, електрони мають таку ж середню енергію теплового руху, як і молекули одноатомного ідеального газу. Це дозволяє оцінити середню швидкість vт теплового руху електронів по формулах молекулярно-кінетичної теорії. При кімнатній температурі вона виявляється приблизно рівною 105 м/с.
При накладенні зовнішнього електричного поля в металевому провіднику окрім теплового руху електронів виникає їх впорядкований рух (дрейф), тобто електричний струм. Середню швидкість vд дрейфу можна оцінити з наступних міркувань. За інтервал часу Δt через поперечний переріз S провідника пройдуть усі електрони, що знаходилися в об'ємі Svд Δt
Число таких електронів рівне nSvд Δt, де n - середня концентрація вільних електронів, приблизно рівна числу атомів в одиниці об'єму металевого провідника. Через переріз провідника за час Δt пройде заряд Δq=enSvдΔt Так як:
тоді
Концентрація n атомів в металах знаходиться в межах 1028-1029 м-3.
Оцінка по цій формулі середньої швидкості vд впорядкованого руху електронів, для металевого провідника перерізом 1 мм2, по якому тече струм 10 А, дає для значення в межах 0,6-6 мм/c. Таким чином, середня швидкість vд впорядкованого руху електронів в металевих провідниках на багато порядків менше середньої швидкості vт їх теплового руху Рисунок 3.31 дає уявлення про характер руху вільного електрона в кристалічній граті.
Рисунок 3.31.
Мала швидкість дрейфу не суперечить дослідному факту, що струм в колі постійного струму встановлюється практично миттєво. Замикання кола викликає поширення електричного поля із швидкістю c = 3·108 м/с. Через час порядку l/с (l - довжина кола) уздовж кола встановлюється стаціонарний розподіл електричного поля і в ній починається впорядкований рух електронів.
У класичній електронній теорії металів передбачається, що рух електронів підпорядковується законам механіки Ньютона. У цій теорії нехтують взаємодією електронів між собою, а їх взаємодію з позитивними іонами зводять тільки до зіткнень. Передбачається також, що при кожному зіткненні електрон передає гратам усю накопичену в електричному полі енергію і тому після зіткнення він починає рух з нульовою дрейфовою швидкістю.
Не дивлячись на усі ці допущення, класична електронна теорія якісно пояснює закони електричного струму в металевих провідниках.