การใช้กระแสไฟฟ้าในโลหะ วงจรไฟฟ้า

ในส่วนนี้ เราจะเริ่มการศึกษาโดยละเอียดเกี่ยวกับวิธีการดำเนินการข้อความนี้ กระแสไฟฟ้าในสื่อนำไฟฟ้าต่างๆ ของแข็งของเหลวและก๊าซ

ให้เราเตือนคุณว่า เงื่อนไขที่จำเป็นการเกิดขึ้นของกระแสคือการมีอยู่ในตัวกลางของความเพียงพอ ปริมาณมากค่าใช้จ่ายฟรีที่สามารถเริ่มการเคลื่อนไหวตามคำสั่งภายใต้อิทธิพลได้ สนามไฟฟ้า. สื่อดังกล่าวเรียกว่าตัวนำกระแสไฟฟ้าอย่างแม่นยำ

ตัวนำโลหะมีการใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด ดังนั้นเราจึงเริ่มต้นด้วยคำถามเกี่ยวกับการแพร่กระจายของกระแสไฟฟ้าในโลหะ

เราได้พูดคุยกันหลายครั้งเกี่ยวกับอิเล็กตรอนอิสระซึ่งเป็นพาหะของประจุอิสระในโลหะ คุณทราบดีว่ากระแสไฟฟ้าในตัวนำโลหะนั้นเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่โดยตรงของอิเล็กตรอนอิสระ

3.13.1 อิเล็กตรอนอิสระ

โลหะในสถานะของแข็งมีโครงสร้างผลึก การจัดเรียงอะตอมในอวกาศมีลักษณะเฉพาะด้วยการทำซ้ำเป็นระยะและก่อให้เกิดรูปแบบปกติทางเรขาคณิต เรียกว่าโครงตาข่ายคริสตัล

อะตอมของโลหะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนจำนวนเล็กน้อยอยู่ที่ด้านนอก เปลือกอิเล็กตรอน. เวเลนซ์อิเล็กตรอนเหล่านี้จับกับนิวเคลียสอย่างอ่อน และอะตอมสามารถสูญเสียพวกมันได้ง่าย

เมื่ออะตอมของโลหะครอบครองตำแหน่งในตาข่ายคริสตัล เวเลนซ์อิเล็กตรอนจะออกจากเปลือกของมัน พวกมันจะเป็นอิสระและ "เดินเล่น" ไปทั่วคริสตัล ไอออนบวกยังคงอยู่ที่โหนดของโครงตาข่ายคริสตัลโลหะซึ่งเป็นช่องว่างระหว่างนั้นเต็มไปด้วย "ก๊าซ" ของอิเล็กตรอนอิสระ (รูปที่ 3.47)

+ + + ++

ข้าว. 3.47. อิเล็กตรอนอิสระ

จริงๆ แล้วอิเล็กตรอนอิสระมีพฤติกรรมเหมือนอนุภาคก๊าซ19 โดยมีการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน โดยจะสุ่มเคลื่อนไปมาระหว่างไอออนของโครงผลึก ประจุรวมของอิเล็กตรอนอิสระมีขนาดเท่ากันและตรงกันข้ามกับประจุบวกทั้งหมดของไอออนบวก ดังนั้นตัวนำโลหะโดยรวมจึงมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า

ก๊าซของอิเล็กตรอนอิสระคือ “กาว” ที่ยึดโครงสร้างผลึกทั้งหมดของตัวนำไว้ด้วยกัน ท้ายที่สุดไอออนบวกจะผลักกันเพื่อให้โครงตาข่ายคริสตัลซึ่งระเบิดจากด้านในด้วยพลังคูลอมบ์อันทรงพลังสามารถแยกออกจากกันในทิศทางที่ต่างกัน อย่างไรก็ตาม ในเวลาเดียวกัน ไอออนของโลหะก็ถูกดึงดูดไปที่เปลือก

18 กล่าวคือ อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ไปรอบวงโคจรด้านนอกของอะตอมข้างเคียง วงโคจรเหล่านี้ทับซ้อนกันเนื่องจากการจัดเรียงอะตอมในโครงตาข่ายคริสตัลอย่างใกล้ชิด ดังนั้นอิเล็กตรอนอิสระจึงเป็น "สมบัติทั่วไป" ของผลึกทั้งหมด

19 อีกภาพหนึ่งที่เพียงพอคือทะเลอิเล็กตรอน ซึ่ง "ชะล้าง" โครงตาข่ายคริสตัล

ไปยังก๊าซอิเล็กตรอนและราวกับว่าไม่มีอะไรเกิดขึ้น ให้คงอยู่ในที่ของมัน โดยทำการสั่นสะเทือนด้วยความร้อนเท่านั้นในโหนดของโครงตาข่ายคริสตัลใกล้กับตำแหน่งสมดุล

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าตัวนำโลหะเชื่อมต่อกับวงจรปิดที่มีแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า? อิเล็กตรอนอิสระยังคงเคลื่อนที่ด้วยความร้อนอย่างวุ่นวาย แต่ตอนนี้ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าภายนอกที่เกิดขึ้น พวกมันจะเริ่มเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบเช่นกัน การไหลโดยตรงของก๊าซอิเล็กตรอนซึ่งซ้อนทับกับการเคลื่อนที่ทางความร้อนของอิเล็กตรอนคือกระแสไฟฟ้าในโลหะ20 ดังที่เราทราบอยู่แล้วว่าความเร็วของการเคลื่อนที่ตามลำดับของอิเล็กตรอนในตัวนำโลหะคือประมาณ 0.1 มม./วินาที

3.13.2 การทดลองของ Rikke

เหตุใดเราจึงตัดสินใจว่ากระแสในโลหะถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ ไอออนบวกของโครงตาข่ายคริสตัลยังสัมผัสกับการกระทำของสนามไฟฟ้าภายนอกด้วย บางทีพวกมันอาจเคลื่อนที่เข้าไปในตัวนำโลหะและมีส่วนร่วมในการสร้างกระแสไฟฟ้าด้วย?

การเคลื่อนที่ของไอออนตามลำดับจะหมายถึงการถ่ายโอนสสารอย่างค่อยเป็นค่อยไปตามทิศทางของกระแสไฟฟ้า ดังนั้นคุณเพียงแค่ต้องส่งกระแสผ่านตัวนำเป็นเวลานานมากและดูว่าจะเกิดอะไรขึ้นในที่สุด การทดลองประเภทนี้ดำเนินการโดย E. Riecke ในปี 1901

กระบอกสูบสามกระบอกที่กดทับกันนั้นรวมอยู่ในวงจรไฟฟ้า: ทองแดงสองตัวที่ขอบและอะลูมิเนียมหนึ่งอันอยู่ระหว่างนั้น (รูปที่ 3.48) กระแสไฟฟ้าไหลผ่านวงจรนี้เป็นเวลาหนึ่งปี

ข้าว. 3.48. ประสบการณ์ของริกเกะ

ตลอดระยะเวลาหนึ่งปี มีประจุมากกว่าสามล้านคูลอมบ์ไหลผ่านกระบอกสูบ สมมติว่าโลหะแต่ละอะตอมสูญเสียเวเลนซ์อิเล็กตรอนไปหนึ่งตัว ดังนั้นประจุของไอออนจึงเท่ากับประจุเบื้องต้น e = 1;6 10 19 C หากกระแสถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของไอออนบวก เป็นเรื่องง่ายที่จะคำนวณ (ทำเอง!) ว่าประจุจำนวนนี้ที่ส่งผ่านวงจรนั้นสอดคล้องกับการถ่ายโอนทองแดงประมาณ 2 กิโลกรัมไปตามวงจร

อย่างไรก็ตามหลังจากแยกกระบอกสูบออกแล้ว พบเพียงการแทรกซึมของโลหะเข้าหากันเพียงเล็กน้อยเท่านั้น เนื่องจากการแพร่กระจายของอะตอมตามธรรมชาติ (และไม่มีอะไรเพิ่มเติม) กระแสไฟฟ้าในโลหะไม่ได้มาพร้อมกับการถ่ายโอนสสาร ดังนั้นไอออนบวกของโลหะจึงไม่มีส่วนในการสร้างกระแสไฟฟ้า

3.13.3 การทดลองของสจ๊วร์ต-โทลแมน

การทดลองโดยตรงเป็นการพิสูจน์ว่ากระแสไฟฟ้าในโลหะถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระในการทดลองของ T. Stewart และ R. Tolman (1916)

20 ดังนั้น อิเล็กตรอนอิสระจึงถูกเรียกว่าอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้า

ข้าว. 3.49. ประสบการณ์ สจ๊วต-โทลแมน

การทดลองสจ๊วร์ต-โทลแมนนำหน้าด้วยการสังเกตเชิงคุณภาพที่ทำขึ้นเมื่อสี่ปีก่อนโดยนักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย แอล. ไอ. แมนเดลสตัม และเอ็น. ดี. ปาปาเล็คซี พวกเขาดึงความสนใจไปที่เอฟเฟกต์แรงเฉื่อยไฟฟ้าที่เรียกว่า: หากคุณเบรกตัวนำที่กำลังเคลื่อนที่อย่างแรงพัลส์กระแสระยะสั้นจะปรากฏขึ้น ผลกระทบนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าในช่วงเวลาสั้น ๆ หลังจากที่ตัวนำถูกชะลอความเร็ว ประจุอิสระจะยังคงเคลื่อนที่ตามความเฉื่อย

อย่างไรก็ตามไม่มี ผลลัพธ์เชิงปริมาณ Mandelstam และ Papaleksi ไม่ได้รับสิ่งเหล่านี้ และข้อสังเกตของพวกเขาไม่ได้รับการเผยแพร่ เกียรติในการเรียกการทดลองตามชื่อเป็นของสจ๊วตและโทลแมนซึ่งไม่เพียง แต่สังเกตผลกระทบทางอิเล็กโทรเฉื่อยที่ระบุเท่านั้น แต่ยังทำการวัดและการคำนวณที่จำเป็นด้วย

การตั้งค่าของ Stewart และ Tolman แสดงในรูปที่ 1 3.49. ขดลวดถูกขับเคลื่อนให้หมุนรอบแกนอย่างรวดเร็วด้วยการหมุนลวดโลหะจำนวนมาก ปลายของขดลวดโดยใช้หน้าสัมผัสแบบเลื่อนเชื่อมต่อกับอุปกรณ์พิเศษซึ่งเป็นกัลวาโนมิเตอร์แบบขีปนาวุธซึ่งช่วยให้คุณวัดประจุที่ไหลผ่านได้

หลังจากการเบรกคอยล์อย่างรุนแรง กระแสพัลส์ก็ปรากฏขึ้นในวงจร ทิศทางของกระแสระบุว่าเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุลบ การวัดด้วยบัลลิสติกกัลวาโนมิเตอร์ ค่าใช้จ่ายทั้งหมดเมื่อผ่านสายโซ่ สจ๊วร์ตและโทลแมนได้คำนวณอัตราส่วน q=m ของประจุของอนุภาคหนึ่งต่อมวลของมัน มันกลายเป็นอัตราส่วน e=m ของอิเล็กตรอนซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีในขณะนั้น

ดังนั้นในที่สุดก็พบว่าพาหะของประจุอิสระในโลหะนั้นเป็นอิเล็กตรอนอิสระ อย่างที่คุณเห็นอันนี้รู้จักกันดีมาเป็นเวลานาน

ข้อเท็จจริงนี้เกิดขึ้นค่อนข้างช้าสำหรับคุณ เนื่องจากในเวลานั้นตัวนำโลหะได้ถูกนำมาใช้อย่างแข็งขันมานานกว่าศตวรรษในการทดลองที่หลากหลายเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้า21

3.13.4 การพึ่งพาความต้านทานต่ออุณหภูมิ

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าเมื่อตัวนำโลหะได้รับความร้อน ความต้านทานจะเพิ่มขึ้น จะอธิบายเรื่องนี้อย่างไร?

เหตุผลง่ายๆ คือ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น การสั่นสะเทือนเนื่องจากความร้อนของไอออนของโครงตาข่ายคริสตัลจะรุนแรงขึ้น ดังนั้นจำนวนการชนกันของอิเล็กตรอนอิสระกับไอออนจึงเพิ่มขึ้น ยิ่งการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของโครงตาข่ายมีการเคลื่อนไหวมากเท่าไร อิเล็กตรอนก็จะผ่านช่องว่างระหว่างไอออนได้ยากขึ้นเท่านั้น ความเร็วของการเคลื่อนที่ตามลำดับของอิเล็กตรอนจะลดลง ดังนั้นความแรงของกระแสจึงลดลง (ที่แรงดันคงที่) นี่หมายถึงการเพิ่มขึ้นของความต้านทาน

21 ตัวอย่างเช่น เปรียบเทียบกับวันที่ค้นพบกฎของโอห์มในปี 1826 อย่างไรก็ตาม ประเด็นก็คือว่าอิเล็กตรอนนั้นถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2440 เท่านั้น

22 ลองนึกภาพประตูหมุนที่ผ่านประตูนั้นไป ในกรณีใดการกระโดดผ่านมันยากกว่า: เมื่อมันหมุนช้าหรือเร็ว? :-)

ดังที่ประสบการณ์แสดงให้เห็นอีกครั้ง การพึ่งพาการต่อต้าน
เปลี่ยน R ของตัวนำโลหะจากอุณหภูมิ t ด้วยค่าดี
ความแม่นยำเป็นเส้นตรง:
R = R0 (1 + เสื้อ):
โดยที่ R0 คือความต้านทานของตัวนำที่ 0 C กราฟ
การพึ่งพา (3.68) เป็นเส้นตรง (รูปที่ 3.50)

ตัวคูณเรียกว่าค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทาน ค่าของมันสำหรับโลหะและโลหะผสมต่างๆสามารถดูได้ในตาราง

ความยาวของตัวนำ l และพื้นที่หน้าตัด S เปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ให้เราแสดง R และ R0 ในรูปของความต้านทาน:

		; R0

และแทนที่สูตรเหล่านี้เป็น (3.68) เราได้รับการพึ่งพาความต้านทานต่ออุณหภูมิที่คล้ายกัน:

0 (1 + ที):

ค่าสัมประสิทธิ์มีค่าน้อยมาก (สำหรับทองแดง เช่น = 0.0043) ดังนั้นการพึ่งพาอุณหภูมิของความต้านทานของโลหะจึงมักถูกละเลย อย่างไรก็ตามในบางกรณีคุณต้องคำนึงถึงเรื่องนี้ด้วย ตัวอย่างเช่น ไส้หลอดทังสเตนของหลอดไฟไฟฟ้าให้ความร้อนถึงระดับที่ลักษณะแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบันกลายเป็นแบบไม่เชิงเส้นอย่างมีนัยสำคัญ

ข้าว. 3.51. ลักษณะเฉพาะของโวลต์-แอมแปร์ของหลอดไฟ

ดังนั้นในรูป รูปที่ 3.51 แสดงคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบันของหลอดไฟรถยนต์ ถ้าหลอดไฟเป็นตัวต้านทานในอุดมคติ ลักษณะเฉพาะของแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบันจะเป็นเส้นตรงตามกฎของโอห์ม เส้นตรงนี้แสดงเป็นเส้นประสีน้ำเงิน

อย่างไรก็ตาม เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับหลอดไฟเพิ่มขึ้น กราฟจะเบี่ยงเบนไปจากเส้นตรงนี้มากขึ้นเรื่อยๆ ทำไม ความจริงก็คือเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นกระแสไฟฟ้าที่ผ่านหลอดไฟจะเพิ่มขึ้นและทำให้ขดลวดร้อนขึ้น ความต้านทานของเกลียวจึงเพิ่มขึ้นด้วย ดังนั้นแม้ว่าความแรงในปัจจุบันจะยังคงเพิ่มขึ้นต่อไป แต่ก็จะมีค่าน้อยลงเรื่อยๆ เมื่อเทียบกับค่าที่กำหนดโดยเส้นประ การพึ่งพาเชิงเส้นกระแสจากแรงดันไฟฟ้า

และมีอิเล็กตรอนหมุนรอบตัวพวกมัน อิเล็กตรอนถูกดึงดูดเข้าสู่นิวเคลียส และต้องใช้แรงพอสมควรในการ "ฉีกพวกมันออก" ในกรณีนี้ เราจะมีนิวเคลียสที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ

ปรากฎว่าเพื่อให้กระแสไฟฟ้าปรากฏในตัวนำจำเป็นต้องฉีกอิเล็กตรอนจำนวนมากออกจากห่วงของอะตอมและติดตามพวกมันไปตามเส้นทางทั้งหมดของกระแสเพื่อไม่ให้อะตอมใหม่จับพวกมัน แน่นอนว่าต้องใช้กำลังพอสมควร อย่างไรก็ตาม เมื่อเกิดสนามไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าจะเริ่มไหลในตัวนำโลหะโดยไม่ต้องใช้ความพยายามใดๆ สิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร? กระแสไฟฟ้าในโลหะมีลักษณะอย่างไรที่สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ง่ายโดยแทบไม่สูญเสีย?

ลักษณะของกระแสในโลหะ

ความจริงก็คือในโลหะโครงสร้างของสารนั้นอนุภาคนั้นอยู่ในโครงผลึกที่เกิดจากไอออนบวกนั่นคือนิวเคลียสของอะตอม และไอออนลบ ซึ่งก็คืออิเล็กตรอน จะเคลื่อนที่อย่างอิสระระหว่างนิวเคลียสโดยไม่ถูกผูกไว้กับพวกมัน ประจุของอิเล็กตรอนทุกตัวที่อยู่ในสถานะเงียบจะชดเชยประจุบวกของนิวเคลียส แรงต่ออิเล็กตรอนเกิดขึ้นเมื่อใด? สนามไฟฟ้าพวกเขาเริ่มเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวตลอดความยาวของตัวนำ

นี่คือวิธีที่กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นในโลหะ ความเร็วการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนแต่ละตัวมีขนาดเล็ก - ประมาณสองสามมิลลิเมตรต่อวินาที แต่ความเร็วการแพร่กระจายของสนามไฟฟ้าเท่ากับความเร็วแสงประมาณ 300,000 กม./วินาที สนามไฟฟ้าทำให้อิเล็กตรอนทุกตัวที่อยู่ในเส้นทางของมันเคลื่อนที่ และกระแสไฟฟ้าเดินทางเป็นเส้นลวดโลหะด้วยความเร็วแสง

การกระทำของกระแสไฟฟ้า

ไม่ว่าอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ในโลหะเร็วแค่ไหน เราก็ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาของเราเอง พวกมันเล็กเกินไป เราสามารถตัดสินการมีอยู่ของกระแสในตัวนำได้จากผลกระทบที่เกิดขึ้นเท่านั้น ผลกระทบของกระแสไฟฟ้านั้นมีความหลากหลายมาก ผลกระทบทางความร้อนของกระแสแสดงให้เห็นในการให้ความร้อนแก่ตัวนำ การดำเนินการนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ทำความร้อนไฟฟ้า: กาต้มน้ำ เครื่องทำความร้อน เครื่องเป่าผม

กระแสก็มีผลทางเคมีเช่นกัน ในสารละลายบางชนิดเมื่อสัมผัสกับกระแสไฟฟ้าจะปล่อยสารต่างๆ ออกมา นี่คือวิธีการสกัดสารบริสุทธิ์จากเกลือและด่าง กระแสก็มีผลทางแม่เหล็กเช่นกัน ยิ่งกว่านั้นเอฟเฟกต์แม่เหล็กของกระแสจะปรากฏในตัวนำใด ๆ เสมอ ผลกระทบจากสนามแม่เหล็กของกระแสไฟฟ้าคือสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นรอบๆ ตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน สนามนี้สามารถบันทึกและวัดได้ สำหรับการใช้งาน การกระทำของแม่เหล็กกระแสขดลวดแบบเกลียวถูกสร้างขึ้นจากสายไฟหุ้มฉนวนและกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ดังนั้นผลกระทบทางแม่เหล็กของกระแสจึงมีความเข้มข้นและเพิ่มความเข้มข้นและสร้างแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้น

ไฟฟ้าและแม่เหล็กเชื่อมโยงกันอย่างแยกไม่ออก ตัวอย่างที่ง่ายที่สุด: การดึงดูดเส้นผมด้วยหวีไฟฟ้านั้นไม่มีอะไรมากไปกว่าการกระทำแบบแม่เหล็ก ค่าไฟฟ้า. บุคคลนั้นใช้งานอย่างแข็งขัน คุณสมบัติทางแม่เหล็กปัจจุบัน จากการผลิตกระแสไฟฟ้าซึ่งมีการดัดแปลง พลังงานกลให้เป็นไฟฟ้าโดยใช้แม่เหล็ก ไปยังเครื่องใช้ไฟฟ้าเฉพาะที่แปลงไฟฟ้ากลับเข้าไป งานเครื่องกล- การกระทำของกระแสแม่เหล็กถูกใช้ทุกที่

ทิศทางปัจจุบัน

ทิศทางการเคลื่อนที่ของประจุบวกนั้นถือเป็นทิศทางของกระแสไฟฟ้าในวงจร และเนื่องจากเรารู้ว่ามันไม่ใช่ประจุบวก แต่เป็นประจุลบ - อิเล็กตรอน - ที่เคลื่อนที่ ดังนั้นทิศทางของกระแสก็คือทิศทางที่ประจุบวกจะเคลื่อนที่หากพวกมันเคลื่อนที่ ซึ่งเป็นทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน

ทำไมคุณถึงใช้ทิศทางนี้? ความจริงก็คือกาลครั้งหนึ่งพวกเขาไม่รู้ว่าในความเป็นจริงประจุไฟฟ้าถูกส่งผ่านอย่างไร แต่มีการใช้ไฟฟ้าและจำเป็นต้องสร้างกฎและกฎหมายสำหรับการคำนวณ และตามอัตภาพเราใช้ทิศทางการเคลื่อนที่ของประจุบวกเป็นทิศทางของกระแส และเมื่อพวกเขาเข้าใจแล้ว ก็ไม่มีใครเริ่มเขียนกฎหมายและกฎเกณฑ์ใหม่อีก นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมมันถึงเป็นเช่นนั้น โดยที่การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะถูกนำมาพิจารณาหากจำเป็น

ต้องการความช่วยเหลือในการศึกษาของคุณหรือไม่?

หัวข้อก่อนหน้า: วงจรไฟฟ้าและส่วนประกอบ
หัวข้อถัดไป:   ความแรงของกระแส: ธรรมชาติ สูตร การวัดด้วยแอมมิเตอร์

วัตถุประสงค์ของบทเรียน: ศึกษาธรรมชาติของกระแสไฟฟ้าในโลหะต่อไป ทดลองศึกษาผลของกระแสไฟฟ้า

วัตถุประสงค์ของบทเรียน:

• เกี่ยวกับการศึกษา -การก่อตัวของมุมมองทั่วไปเกี่ยวกับธรรมชาติของกระแสไฟฟ้า การก่อตัวของความสามารถในการทำงานกับวงจรไฟฟ้า และการประกอบวงจรไฟฟ้า
• พัฒนาการ– พัฒนาความสามารถในการค้นหาข้อผิดพลาดและป้องกันเมื่อใช้ความรู้ในทางปฏิบัติตลอดจนอธิบายปรากฏการณ์ใหม่อย่างมีเหตุผล ใช้ความรู้ในสถานการณ์ที่ไม่ได้มาตรฐาน
• เกี่ยวกับการศึกษา -ปลูกฝังความรู้สึกรักมาตุภูมิของตนเอง พัฒนาความสามารถในการมุ่งความสนใจ ดำเนินการสนทนา และปกป้องความคิดเห็นของตนอย่างมีเหตุผล

อุปกรณ์และวัสดุ: แหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า หลอดไฟสำหรับไฟฉาย กระดิ่งไฟฟ้า สวิตช์ สายไฟ สารละลายคอปเปอร์ซัลเฟต แม่เหล็กไฟฟ้า แผ่นทองแดงและสังกะสี แบบจำลองโครงตาข่ายคริสตัล กัลวาโนมิเตอร์

อบต: คอมพิวเตอร์ การนำเสนอ,เครื่องฉายมัลติมีเดีย.

การสาธิต:

1. การประกอบวงจรไฟฟ้าอย่างง่าย
2. การปล่อยทองแดงระหว่างอิเล็กโทรไลซิสของ CuSO4
3. การกระทำของขดลวดนำกระแสก็เหมือนกับแม่เหล็กไฟฟ้า
4. การได้มาซึ่งแหล่งกระแสโดยใช้มะนาวและแผ่นทองแดงและสังกะสี

แผนการเรียน.

1. การอัพเดตความรู้พื้นฐาน – 10 นาที
2. ศึกษาวัสดุใหม่ “กระแสไฟฟ้าในโลหะ” – 10 นาที
3. การรวมตัว – 3 นาที
4. นาทีที่เหลือ – 1 นาที
5. ศึกษาเนื้อหาใหม่ เรื่อง “การกระทำของกระแสไฟฟ้า” 12 นาที
6. การรวมตัว – 5 นาที
7. การบ้าน- 2 นาที.
8. สรุปบทเรียน – 2 นาที

ในระหว่างเรียน

1. อัพเดตความรู้พื้นฐาน – 10 นาที

– สวัสดีครับเพื่อนๆ วันนี้เราจะมาศึกษาหัวข้อ “กระแสไฟฟ้า” กันต่อครับ

เพื่อจำหัวข้อที่ครอบคลุม ให้เราตอบคำถามต่อไปนี้

1) กระแสไฟฟ้าเรียกว่าอะไร?

คำตอบมาตรฐาน สั่งการเคลื่อนที่ของอนุภาคโดยตรง

2) สิ่งที่จำเป็นสำหรับกระแสไฟฟ้าที่มีอยู่ในวงจรหรือตั้งชื่อองค์ประกอบของวงจร?

จ. ตอบ. แหล่งที่มาปัจจุบัน ตัวนำ ผู้ใช้บริการปัจจุบัน และองค์ประกอบทั้งหมดเหล่านี้จะต้องปิด

3) การทำงานกับไดอะแกรม

ตอนนี้เรามาดูกันว่าคุณเห็นความผิดปกติในการออกแบบวงจรไฟฟ้าอย่างไร

ด้านหน้าของคุณมีอีเมลสองฉบับ วงจรไดอะแกรมที่แสดงบนหน้าจอ

1. เหตุใดไฟทำงานในวงจรแรกจึงไม่สว่างเมื่อปิดกุญแจ? (รูปที่ 1)

การตอบสนองของนักเรียน

คำตอบมาตรฐานวงจรไฟฟ้ามีการแตกหัก เพื่อให้หลอดไฟสว่างขึ้นจะต้องมีกระแสไฟฟ้าในวงจรและสามารถทำได้ในวงจรปิดที่ประกอบด้วยตัวนำไฟฟ้าเท่านั้น

ครู.ตัวนำแตกต่างจากตัวนำที่ไม่เป็นตัวนำหรือฉนวนอย่างไร?

การตอบสนองของนักเรียน

คำตอบมาตรฐานตัวนำคือตัวเครื่องที่ประจุไฟฟ้าสามารถผ่านจากตัวที่มีประจุไปยังตัวที่ไม่มีประจุได้ แต่การเปลี่ยนผ่านดังกล่าวเป็นไปไม่ได้ในฉนวนและหลอดไฟจะสว่างขึ้น

เชิญนักเรียนที่ให้คำตอบที่ถูกต้องและเมื่อขจัดช่องว่างแล้วจะแสดงคำตอบที่ถูกต้อง หลอดไฟสว่างขึ้น

2. เหตุใดจึงไม่ดังในวงจรที่สองเมื่อปิดวงจร? (รูปที่ 2)

การตอบสนองของนักเรียน

คำตอบมาตรฐานในการสร้างกระแสไฟฟ้าในตัวนำ จะต้องสร้างสนามไฟฟ้าในตัวนำนั้น ภายใต้อิทธิพลของสนามนี้ อนุภาคที่มีประจุอิสระจะเริ่มเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบ และนี่คือกระแสไฟฟ้า สนามไฟฟ้าในตัวนำถูกสร้างขึ้นและสามารถรักษาไว้ได้นานโดยแหล่งกำเนิดสนามไฟฟ้า วงจรไฟฟ้าจะต้องมีแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า เราเชื่อมต่อวงจรกับแหล่งจ่ายกระแสและเสียงกริ่งดังขึ้น

นักเรียนที่ให้คำตอบที่ถูกต้องจะได้รับเชิญ และโดยการเชื่อมต่อแหล่งกำเนิดกระแสเข้ากับวงจร จะแสดงคำตอบที่ถูกต้อง

ครูพวกเราสังเกตวงจรการทำงาน บอกฉันทีดูสายไฟว่ากระแสไหลที่นี่ดูได้ไหม

การตอบสนองของนักเรียน

คำตอบคือไม่ เพราะเราไม่เห็นความเคลื่อนไหวของประจุ

ครูและเพื่อ ใบเสร็จรับเงินโดยละเอียดตอบคำถามนี้เราจะไปยังการศึกษาหัวข้อใหม่

2. การเรียนรู้สิ่งใหม่ๆวัสดุ “กระแสไฟฟ้าในโลหะ” – 10 นาที .

สไลด์หัวข้อบทเรียนของเรา: “กระแสไฟฟ้าในโลหะ การกระทำของกระแสไฟฟ้า"

หนุ่มๆ ใครจะรู้ว่าคุณจะหลีกเลี่ยงผลกระทบของกระแสไฟฟ้าได้อย่างไรหากคุณสัมผัสโดนเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีกระแสไฟอยู่โดยไม่ตั้งใจ

คำตอบมาตรฐานสิ่งนี้จำเป็นต้องต่อสายดิน เนื่องจากโลกเป็นตัวนำ และเนื่องจากขนาดที่ใหญ่โตของมัน จึงสามารถกักเก็บประจุได้มาก

ครู.วัสดุใดที่ต่อลงดินทำจากวัสดุ?

การตอบสนองของนักเรียน

คำตอบมาตรฐานสายดินทำจากโลหะ

ครู.เราจะตอบว่าทำไมจึงนิยมใช้สารเหล่านี้หลังจากศึกษาหัวข้อใหม่ "กระแสไฟฟ้าในโลหะ" เขียนหัวข้อบทเรียนลงในสมุดบันทึกของคุณ

ดังนั้น บทสนทนาของเราจะเน้นไปที่โลหะ คำจำกัดความแรกของโลหะที่มีชื่อเสียงที่สุดให้ไว้ในช่วงกลางศตวรรษที่ 18 โดย M.V. Lomonosov: “โลหะเป็นตัวถังที่มีน้ำหนักเบาซึ่งสามารถตีขึ้นรูปได้ มีวัตถุดังกล่าวเพียงหกเท่านั้น: ทอง เงิน ทองแดง ดีบุก เหล็ก และตะกั่ว” สองศตวรรษครึ่งต่อมา มีคนรู้จักโลหะมากมาย โลหะมีองค์ประกอบมากกว่า 75% ขององค์ประกอบทั้งหมดในตารางของ D.I. Mendeleev และสามารถเลือกได้อย่างแน่นอน คำจำกัดความที่แม่นยำสำหรับโลหะ ถือเป็นงานที่แทบจะสิ้นหวัง

ดังนั้น ในกรณีทั่วไปในปัจจุบัน เราสามารถใช้คำจำกัดความของ M.V. Lomonosov นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียคนแรก - นักวิทยาศาสตร์ธรรมชาติที่มีความสำคัญระดับโลก โดยเพิ่มอีก 3 คุณสมบัติจากสองคุณสมบัติแรกที่เขาเสนอ คุณจะได้เรียนรู้คุณสมบัติทั้งหมดของโลหะ มาเริ่มทำความคุ้นเคยกับหนึ่งในนั้นกันดีกว่า - การนำไฟฟ้า

ให้เรานึกถึงโครงสร้างของโลหะ แบบจำลองของโลหะนั้นเป็นโครงตาข่ายคริสตัลที่โหนดซึ่งอนุภาคเกิดความวุ่นวาย การเคลื่อนไหวแบบสั่น. (มีการนำเสนอแบบจำลองโครงตาข่ายคริสตัล และฉายภาพแบบจำลองโครงสร้างโลหะบนหน้าจอ)

โลหะในสถานะของแข็งมีโครงสร้างเป็นผลึก อนุภาคในคริสตัลจะถูกจัดเรียงตามลำดับที่แน่นอน ทำให้เกิดโครงตาข่ายเชิงพื้นที่ (ผลึก) ดังที่คุณทราบแล้วว่าในโลหะใด ๆ เวเลนซ์อิเล็กตรอนบางส่วนจะออกจากตำแหน่งในอะตอม ซึ่งส่งผลให้อะตอมกลายเป็นไอออนบวก ไอออนบวกจะอยู่ที่โหนดของโครงตาข่ายคริสตัลโลหะ และอิเล็กตรอนอิสระ (ก๊าซอิเล็กตรอน) จะเคลื่อนที่ในช่องว่างระหว่างไอออนเหล่านั้น เช่น ไม่เกี่ยวข้องกับนิวเคลียสของอะตอม

ประจุลบของอิเล็กตรอนอิสระทั้งหมดมีค่าเท่ากับค่าสัมบูรณ์กับประจุบวกของไอออนขัดแตะทั้งหมด ดังนั้นภายใต้สภาวะปกติโลหะจึงมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า

ประจุไฟฟ้าชนิดใดเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าในตัวนำโลหะ เราสามารถสรุปได้ว่าอิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า แต่สมมติฐานของเรานี้จำเป็นต้องมีการพิสูจน์

ในปี พ.ศ. 2442 K. Rikke ที่สถานีย่อยรถรางในเมืองสตุ๊ตการ์ทได้เชื่อมต่อกระบอกสูบสามกระบอกที่กดอย่างใกล้ชิดเป็นชุดโดยปลายของกันและกันเข้ากับสายไฟหลักที่ป้อนให้กับรางรถราง ด้านนอกทั้งสองเป็นทองแดง และอันตรงกลางเป็นอะลูมิเนียม

กระแสไฟฟ้าไหลผ่านกระบอกสูบเหล่านี้เป็นเวลานานกว่าหนึ่งปี หลังจากทำการวิเคราะห์ตำแหน่งที่กระบอกสูบสัมผัสกันอย่างละเอียดแล้ว K. Rikke ไม่พบอะตอมของอะลูมิเนียมในทองแดง และไม่มีอะตอมของทองแดงในอะลูมิเนียม กล่าวคือ ไม่เกิดการแพร่กระจาย ดังนั้นเขาจึงทดลองพิสูจน์ว่าเมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำไอออนจะไม่เคลื่อนที่ ด้วยเหตุนี้จึงมีเพียงอิเล็กตรอนอิสระเท่านั้นที่เคลื่อนที่ และพวกมันเหมือนกันสำหรับสารทุกชนิด

การยืนยันขั้นสุดท้ายของข้อเท็จจริงนี้คือการทดลองที่ดำเนินการในปี 1913 โดยนักฟิสิกส์ของประเทศของเรา L.I. Mandelstam และ N.D. Papaleksi รวมถึงนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน B. Stewart และ R. Tolman ดูภาพบนหน้าจอ สไลด์

นักวิทยาศาสตร์ทำให้ขดลวดหลายรอบหมุนรอบแกนของมันอย่างรวดเร็ว จากนั้นด้วยการเบรกขดลวดอย่างรุนแรง ปลายของขดลวดก็เชื่อมต่อกับกัลวาโนมิเตอร์ และอุปกรณ์จะบันทึกกระแสไฟฟ้าระยะสั้น สาเหตุของการเกิดขึ้นซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่เฉื่อยของอนุภาคที่มีประจุอิสระระหว่างโหนดของโครงตาข่ายคริสตัลโลหะ เนื่องจากทราบทิศทางจากประสบการณ์ ความเร็วเริ่มต้นและทิศทางของกระแสที่เกิดขึ้นคุณจะพบสัญลักษณ์ของประจุของตัวพา: มันกลายเป็นลบ ดังนั้นตัวพาประจุฟรีในโลหะจึงเป็นอิเล็กตรอนอิสระ โดยการโก่งตัวของเข็มกัลวาโนมิเตอร์ เราสามารถตัดสินปริมาณประจุไฟฟ้าที่ไหลในวงจรได้ ประสบการณ์ยืนยันทฤษฎี ชัยชนะของทฤษฎีไฟฟ้าคลาสสิกเกิดขึ้น

กระแสไฟฟ้าในตัวนำโลหะคือการเคลื่อนที่ตามลำดับของอิเล็กตรอนอิสระภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า

หากไม่มีสนามไฟฟ้าในตัวนำ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่แบบสุ่ม คล้ายกับการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของก๊าซหรือของเหลว ในแต่ละช่วงเวลา ความเร็วของอิเล็กตรอนต่างๆ จะแตกต่างกันตามขนาดและทิศทาง หากมีการสร้างสนามไฟฟ้าในตัวนำ อิเล็กตรอนที่คงการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายไว้จะเริ่มเคลื่อนไปทางขั้วบวกของแหล่งกำเนิด นอกเหนือจากการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอิเล็กตรอนแล้ว การถ่ายโอนแบบสั่ง - ดริฟท์ - ก็เกิดขึ้นเช่นกัน

ความเร็วของการเคลื่อนที่ตามลำดับของอิเล็กตรอนในตัวนำภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าคือหลายมิลลิเมตรต่อวินาทีและบางครั้งก็น้อยกว่านั้นด้วยซ้ำ แต่ทันทีที่มีสนามไฟฟ้าเกิดขึ้นในตัวนำ ความเร็วมหาศาลซึ่งใกล้เคียงกับความเร็วแสงในสุญญากาศ (300,000 กม./วินาที) แผ่กระจายไปตามความยาวของตัวนำ

พร้อมกับการแพร่กระจายของสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนทั้งหมดเริ่มเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวตลอดความยาวของตัวนำ ตัวอย่างเช่น เมื่อวงจรของหลอดไฟฟ้าปิด อิเล็กตรอนที่อยู่ในเกลียวของหลอดไฟก็เริ่มเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบเช่นกัน

การเปรียบเทียบกระแสไฟฟ้ากับการไหลของน้ำในท่อน้ำและการแพร่กระจายของสนามไฟฟ้ากับการแพร่กระจายของแรงดันน้ำจะช่วยให้คุณเข้าใจสิ่งนี้ เมื่อน้ำขึ้นสู่อ่างเก็บน้ำ แรงดันน้ำ (แรงดัน) จะกระจายอย่างรวดเร็วทั่วทั้งระบบจ่ายน้ำ เมื่อเราเปิดก๊อกน้ำ น้ำก็อยู่ภายใต้ความกดดันและเริ่มไหล แต่น้ำที่อยู่ในนั้นไหลจากก๊อกน้ำ และน้ำจากหอคอยจะถึงก๊อกน้ำในภายหลังมาก เพราะ... การเคลื่อนที่ของน้ำเกิดขึ้นที่ความเร็วต่ำกว่าการแพร่กระจายของแรงดัน

เมื่อเราพูดถึงความเร็วของการแพร่กระจายของกระแสไฟฟ้าในตัวนำ เราหมายถึงความเร็วของการแพร่กระจายของสนามไฟฟ้าไปตามตัวนำ

สัญญาณไฟฟ้าที่ส่ง เช่น ตามสายไฟจากมอสโกไปยังวลาดิวอสต็อก (s=8000 กม.) ไปถึงที่นั่นในเวลาประมาณ 0.03 วินาที

ช่วงเวลาแห่งการพักผ่อน.

พวกโสกราตีสนักคิดผู้ยิ่งใหญ่เคยถูกถามในความเห็นของเขาว่าอะไรง่ายที่สุดในชีวิต? เขาตอบว่าสิ่งที่ง่ายที่สุดคือการสอนผู้อื่น แต่สิ่งที่ยากที่สุดคือการรู้จักตัวเอง

ในบทเรียนฟิสิกส์เราพูดถึงการทำความเข้าใจธรรมชาติ แต่วันนี้เรามาคุยกับตัวเราเอง เรารับรู้อย่างไร โลก? ในฐานะศิลปินหรือนักคิด?

1. ยืนขึ้น ยกแขนขึ้น ยืดตัว
2. ประสานนิ้วของคุณ
3. ดูสิว่านิ้วไหนของมือซ้ายหรือขวาของคุณอยู่ด้านบน? เขียนผลลัพธ์ "L" หรือ "P"
4. ไขว้แขนไว้เหนือหน้าอก (“ท่านโปเลียน”) มือไหนอยู่ข้างบน?
5. ขอเสียงปรบมือให้ มือไหนอยู่ข้างบน?

มาสรุปกัน

โดยพิจารณาว่าผลลัพธ์ “LLL” สอดคล้องกับบุคลิกภาพประเภทศิลปะ และ “PPP” สอดคล้องกับประเภทการคิด

การคิดแบบใดมีชัยในชั้นเรียนของคุณ?

มี "ศิลปิน" หลายคน "นักคิด" หลายคนและคนส่วนใหญ่ได้รับการพัฒนาอย่างกลมกลืนซึ่งมีลักษณะการคิดทั้งเชิงตรรกะและเชิงจินตนาการ

และตอนนี้คุณก็สามารถก้าวไปสู่การทำความเข้าใจโลกภายนอกได้แล้ว

กระแสไฟฟ้าในโลหะ เราไปยังบล็อกถัดไป "การกระทำของกระแสไฟฟ้า"

ศึกษาวัสดุใหม่ “การกระทำของกระแสไฟฟ้า”

เราไม่สามารถมองเห็นอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในตัวนำโลหะได้ เราสามารถตัดสินการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้าในวงจรได้จากปรากฏการณ์ต่างๆ ที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ปรากฏการณ์ดังกล่าวเรียกว่าการกระทำในปัจจุบัน การกระทำบางอย่างเหล่านี้สังเกตได้ง่ายจากการทดลอง

ผลกระทบความร้อนของกระแสไฟฟ้า (สไลด์)

ผลกระทบทางเคมีของกระแส การกระทำทางเคมีของเอล ปัจจุบันถูกค้นพบครั้งแรกในปี ค.ศ. 1800 (สไลด์)

ประสบการณ์. ลองทำการทดลองด้วยสารละลายคอปเปอร์ซัลเฟต วางอิเล็กโทรดคาร์บอนสองตัวในน้ำกลั่นแล้วปิดวงจร เราสังเกตว่าเอล ไฟไม่สว่าง เราใช้สารละลายคอปเปอร์ซัลเฟตและเชื่อมต่อกับแหล่งปัจจุบัน ไฟไฟฟ้าก็สว่างขึ้น

บทสรุป. เคมี ผลกระทบของกระแสไฟฟ้าคือในสารละลายกรดบางชนิด (เกลือ, ด่าง) เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านจะสังเกตเห็นการปล่อยสารออกมา สารที่มีอยู่ในสารละลายจะสะสมอยู่บนอิเล็กโทรดที่แช่อยู่ในสารละลายนี้ เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านสารละลายคอปเปอร์ซัลเฟต (CuSo4) ทองแดงบริสุทธิ์ (Cu) จะถูกปล่อยออกมาที่อิเล็กโทรดที่มีประจุลบ ใช้เพื่อให้ได้โลหะบริสุทธิ์

อลูมิเนียมผลิตโดยกระแสไฟฟ้า (นี่เป็นวิธีเดียวในการผลิตทางอุตสาหกรรม) โลหะเคมีบริสุทธิ์ การชุบนิกเกิล การชุบโครเมี่ยม และการชุบทอง

เพื่อปกป้องโลหะจากการกัดกร่อนพื้นผิวมักถูกเคลือบด้วยโลหะที่ออกซิไดซ์ได้ยากนั่นคือทำการชุบนิกเกิลหรือโครเมียม กระบวนการนี้เรียกว่าการชุบด้วยไฟฟ้า

ผลของสนามแม่เหล็ก สไลด์

ประสบการณ์. เราเชื่อมต่อขดลวดที่มีแกนเหล็กเข้ากับวงจรและสังเกตแรงดึงดูดของวัตถุที่เป็นโลหะ

การใช้การกระทำทางแม่เหล็กของกระแสไฟฟ้าในกัลวาโนมิเตอร์

สไลด์

กัลวาโนมิเตอร์ การกำหนดแผนผัง

การรวมเนื้อหาที่ศึกษา

เราแก้ไขปัญหาตามการรวบรวมปัญหาโดย V.I. ลูคาชิค

1. №1248
2. №1250
3. ? ทำไมคุณไม่ควรสัมผัสที่ไม่มีฉนวน สายไฟด้วยมือเปล่าเหรอ?

(ความชื้นที่มือมักประกอบด้วยสารละลายเกลือต่างๆ และเป็นอิเล็กโทรไลต์ ดังนั้นจึงสร้างการสัมผัสที่ดีระหว่างสายไฟกับผิวหนัง)

การวิเคราะห์คำตอบของนักเรียนเราให้คะแนน

การบ้านที่ได้รับมอบหมาย ย่อหน้า 34, 35ล. หมายเลข 1260, 1261 คิดแผนควบคุมการโทรจากสองจุด (หนุ่มๆ)

กระแสไฟฟ้าในโลหะ

พาหะของกระแสไฟฟ้าในโลหะคืออิเล็กตรอนอิสระ กฎของโอห์มสามารถหาได้จากการนำไฟฟ้าในโลหะ พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน ณ เวลาที่ชนกันที่จุดสิ้นสุดของเส้นทางอิสระเฉลี่ย (เส้นทางอิสระของอิเล็กตรอนคือระยะห่างระหว่างการชนสองครั้งที่อยู่ติดกัน) ให้เราแสดงเวลาของเส้นทางอิสระ (ช่วงเวลาที่ อิเล็กตรอนเดินทางในเส้นทางอิสระเฉลี่ย) โดย ต.อิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าทั้งหมดที่มีอยู่ในส่วนของตัวนำที่มีความยาว ลและภาพตัดขวาง S จะได้พลังงานเท่ากับ

ที่ไหน โวลต์- ความเร็วของอิเล็กตรอนก่อนชนกับไอออน ความเร็วเฉลี่ย G7 ของการเคลื่อนที่โดยตรงอันเป็นผลมาจากการกระทำของสนามไฟฟ้าที่อยู่นิ่งจะเท่ากับ

เราสันนิษฐานว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนระหว่างการกระแทกนั้นมีความเร่งสม่ำเสมอ ในสูตรที่แสดงความแรงของกระแสไฟฟ้าในรูปของปริมาณจุลทรรศน์ (I = neSv) เราจะใช้แทน

เราได้รับ: 2I = neSv จากสำนวนนี้เราพบว่า:

ซึ่งเราแทนลงในสูตร (3.18) และรับ:

ในนิพจน์ (3.19) ปริมาณทั้งหมดที่อยู่ข้างหน้า I ไม่ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้า ดังนั้น:

ดังนั้นกระแสจึงเป็นสัดส่วนกับแรงดัน ลักษณะเฉพาะของแรงดันไฟฟ้าปัจจุบันสำหรับโลหะแสดงไว้ในรูปที่ 1 53. เมื่อทราบถึงความแรงของกระแส I, ประจุของอิเล็กตรอน e, พื้นที่หน้าตัดของตัวนำและความเข้มข้นของอิเล็กตรอน จึงเป็นไปได้ที่จะกำหนดความเร็วของการเคลื่อนที่ตามลำดับของอิเล็กตรอน ดังนั้น- เรียกว่าความเร็วดริฟท์

วัตถุประสงค์:

กระแสไฟฟ้ามีอยู่ทุกที่ โดยไหล: ในร่างกายของเรา ส่งกระแสประสาท ในชั้นบรรยากาศ ทำให้เกิดฟ้าผ่าและสิ่งที่คล้ายกัน และแน่นอนในอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ไหลผ่านสายโลหะ

อุปกรณ์:

กระแสไฟฟ้าในโลหะคือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระที่มีประจุลบภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าในช่องว่างระหว่างไอออนที่มีประจุบวกของโครงตาข่ายคริสตัลที่ได้รับคำสั่งของโลหะ

หลักการดำเนินงาน:

อิเล็กตรอนอิสระที่มีประจุลบจะเคลื่อนที่อย่างวุ่นวายในช่องว่างระหว่างไอออน แต่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนจะเริ่มเคลื่อนไปทางอิเล็กโทรดที่มีประจุบวก ความเร็วของการกระจัดนี้น้อยมาก ประมาณ 1 มิลลิเมตรต่อวินาที อย่างไรก็ตาม สนามไฟฟ้าแพร่กระจายผ่านตัวนำด้วยความเร็วแสง (300,000 กม./วินาที) และเนื่องจากอิเล็กตรอนทั้งหมดเริ่มเคลื่อนที่ในเวลาเดียวกัน ปรากฎว่ากระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง!

กระแสไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ

เซมิคอนดักเตอร์เป็นสารประเภทหนึ่งที่มีค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นและความต้านทานไฟฟ้าลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น นี่คือลักษณะที่เซมิคอนดักเตอร์แตกต่างจากโลหะโดยพื้นฐาน เซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปคือผลึกของเจอร์เมเนียมและซิลิคอน ซึ่งอะตอมจะรวมกันเป็นหนึ่งด้วยพันธะโควาเลนต์ ที่อุณหภูมิใดก็ตาม สารกึ่งตัวนำจะมีอิเล็กตรอนอิสระ อิเล็กตรอนอิสระภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าภายนอกสามารถเคลื่อนที่ในคริสตัลได้ ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า การดึงอิเล็กตรอนออกจากเปลือกนอกของอะตอมตัวใดตัวหนึ่งของโครงตาข่ายคริสตัลจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอะตอมนี้ให้เป็นไอออนบวก ไอออนนี้สามารถทำให้เป็นกลางได้โดยการจับอิเล็กตรอนจากอะตอมที่อยู่ใกล้เคียง นอกจากนี้อันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนอิเล็กตรอนจากอะตอมไปเป็นไอออนบวกทำให้เกิดกระบวนการเคลื่อนที่อย่างวุ่นวายของสถานที่โดยที่อิเล็กตรอนหายไปเกิดขึ้นในคริสตัล ภายนอกกระบวนการนี้ถูกมองว่าเป็นการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าบวกที่เรียกว่า รู. เมื่อวางคริสตัลในสนามไฟฟ้า การเคลื่อนที่ของรูตามลำดับจะเกิดขึ้น - กระแสการนำของรู ในคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ในอุดมคติ กระแสไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและรูที่มีประจุบวกในจำนวนเท่ากัน การนำไฟฟ้าในเซมิคอนดักเตอร์ในอุดมคติเรียกว่าการนำไฟฟ้าภายใน คุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับปริมาณสิ่งเจือปนเป็นอย่างมาก สิ่งเจือปนมีสองประเภท - ผู้บริจาคและผู้รับ สิ่งเจือปนที่บริจาคอิเล็กตรอนและสร้างการนำไฟฟ้าเรียกว่า ผู้บริจาค(สิ่งเจือปนที่มีเวเลนซ์มากกว่าเซมิคอนดักเตอร์หลัก) สารกึ่งตัวนำที่ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนเกินความเข้มข้นของรูเรียกว่าสารกึ่งตัวนำชนิด n สิ่งเจือปนที่จับอิเล็กตรอนและทำให้เกิดรูเคลื่อนที่โดยไม่เพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าเรียกว่า ผู้ยอมรับ(สิ่งเจือปนที่มีวาเลนซีน้อยกว่าเซมิคอนดักเตอร์หลัก) ที่ อุณหภูมิต่ำพาหะกระแสหลักในคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความไม่บริสุทธิ์จากตัวรับคือรู และพาหะหลักไม่ใช่อิเล็กตรอน สารกึ่งตัวนำที่ความเข้มข้นของรูเกินกว่าความเข้มข้นของอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าเรียกว่าโฮลเซมิคอนดักเตอร์หรือเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p ให้เราพิจารณาการสัมผัสกันของเซมิคอนดักเตอร์สองตัวที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่างกัน การแพร่กระจายร่วมกันของพาหะส่วนใหญ่เกิดขึ้นข้ามขอบเขตของเซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้: อิเล็กตรอนจากเซมิคอนดักเตอร์ n กระจายเข้าไปใน p-เซมิคอนดักเตอร์ และรูจาก p-เซมิคอนดักเตอร์เข้าไปใน n-เซมิคอนดักเตอร์ เป็นผลให้บริเวณของ n-เซมิคอนดักเตอร์ที่อยู่ติดกับหน้าสัมผัสจะหมดอิเล็กตรอนและประจุบวกส่วนเกินจะก่อตัวขึ้นเนื่องจากมีไอออนเจือปนเปลือยเปล่า การเคลื่อนตัวของรูจาก p-เซมิคอนดักเตอร์ไปยัง n-เซมิคอนดักเตอร์ ทำให้เกิดประจุลบส่วนเกินในบริเวณขอบเขตของ p-เซมิคอนดักเตอร์ เป็นผลให้เกิดชั้นไฟฟ้าสองชั้นขึ้นและเกิดสนามไฟฟ้าสัมผัสซึ่งป้องกันการแพร่กระจายของพาหะประจุหลักเพิ่มเติม ชั้นนี้เรียกว่า ล็อค. สนามไฟฟ้าภายนอกส่งผลต่อการนำไฟฟ้าของชั้นกั้น หากเซมิคอนดักเตอร์เชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิดดังแสดงในรูป 55 จากนั้นภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าภายนอก ตัวพาประจุหลัก - อิเล็กตรอนอิสระในเซมิคอนดักเตอร์ p และรูในเซมิคอนดักเตอร์ p - จะเคลื่อนที่เข้าหากันไปยังส่วนต่อประสานของเซมิคอนดักเตอร์ ในขณะที่ความหนาของรอยต่อ p-n ลดลง ดังนั้นความต้านทานจึงลดลง ในกรณีนี้ กระแสไฟจะถูกจำกัดด้วยความต้านทานภายนอก ทิศทางของสนามไฟฟ้าภายนอกนี้เรียกว่าโดยตรง การเชื่อมต่อโดยตรงของจุดเชื่อมต่อ p-n สอดคล้องกับส่วนที่ 1 เกี่ยวกับคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบัน (ดูรูปที่ 57) ตัวพากระแสไฟฟ้าในสภาพแวดล้อมต่างๆ และลักษณะเฉพาะของแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบันสรุปไว้ในตารางที่ 1 1. หากเซมิคอนดักเตอร์เชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิดดังแสดงในรูป 56 จากนั้นอิเล็กตรอนใน n-เซมิคอนดักเตอร์และรูใน p-เซมิคอนดักเตอร์จะเคลื่อนที่ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าภายนอกจากขอบเขตในทิศทางตรงกันข้าม ความหนาของชั้นกั้นจึงเพิ่มความต้านทาน ด้วยทิศทางของสนามไฟฟ้าภายนอกนี้ - ย้อนกลับ (ปิดกั้น) มีเพียงพาหะประจุส่วนน้อยเท่านั้นที่ผ่านอินเทอร์เฟซซึ่งมีความเข้มข้นต่ำกว่าส่วนใหญ่มากและกระแสก็เท่ากับศูนย์ การเปิดสวิตช์ย้อนกลับของจุดเชื่อมต่อ pn สอดคล้องกับส่วนที่ 2 เกี่ยวกับคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบัน (รูปที่ 57) ดังนั้นทางแยก pn จึงมีค่าการนำไฟฟ้าไม่สมมาตร คุณสมบัตินี้ใช้ใน ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ที่มีจุดเชื่อมต่อ p-n หนึ่งจุด และใช้สำหรับแก้ไขกระแสสลับหรือการตรวจจับ สารกึ่งตัวนำถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ติดยาเสพติด ความต้านทานไฟฟ้าโลหะเซมิคอนดักเตอร์กับอุณหภูมิที่ใช้ในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์พิเศษ - เทอร์มิสเตอร์. อุปกรณ์ที่ใช้คุณสมบัติของคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ในการเปลี่ยนความต้านทานไฟฟ้าเมื่อถูกส่องสว่างด้วยแสงเรียกว่า ตัวต้านทานแสง.

กระแสไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์

โดยทั่วไปอิเล็กโทรไลต์มักถูกเรียกว่าสื่อนำไฟฟ้าซึ่งมีการไหลของกระแสไฟฟ้าพร้อมกับการถ่ายโอนสสาร ตัวพาประจุอิสระในอิเล็กโทรไลต์คือไอออนที่มีประจุบวกและประจุลบ อิเล็กโทรไลต์ประกอบด้วยสารประกอบโลหะหลายชนิดที่มีเมทัลลอยด์อยู่ในสถานะหลอมเหลว รวมถึงของแข็งบางชนิดด้วย อย่างไรก็ตาม ตัวแทนหลักของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีคือสารละลายน้ำของกรดอนินทรีย์ เกลือ และเบส

SO4 + Cu = CuSO4

กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านอิเล็กโทรไลต์จะมาพร้อมกับการปล่อยสารบนอิเล็กโทรด ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า กระแสไฟฟ้า. กระแสไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์แสดงถึงการเคลื่อนที่ของไอออนของสัญญาณทั้งสองในทิศทางตรงกันข้าม ไอออนบวกจะเคลื่อนที่เข้าหาขั้วลบ ( แคโทด) ไอออนลบ - ไปยังอิเล็กโทรดบวก (แอโนด) ไอออนของสัญญาณทั้งสองจะปรากฏในสารละลายเกลือ กรด และด่างที่เป็นน้ำ ซึ่งเป็นผลมาจากการแยกโมเลกุลที่เป็นกลางบางส่วน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การแยกตัวด้วยไฟฟ้า. ตัวอย่างเช่น คอปเปอร์คลอไรด์ CuCl2 แยกตัวในสารละลายที่เป็นน้ำออกเป็นไอออนของทองแดงและคลอรีน: เมื่ออิเล็กโทรดเชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า ไอออนภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าจะเริ่มการเคลื่อนที่ตามลำดับ: ไอออนทองแดงบวกจะเคลื่อนไปทางแคโทด และ ไอออนคลอรีนที่มีประจุลบจะเคลื่อนไปทางขั้วบวก (รูปที่ 4.15.1 ) เมื่อไปถึงแคโทด ไอออนของทองแดงจะถูกทำให้เป็นกลางโดยอิเล็กตรอนส่วนเกินของแคโทด และกลายเป็นอะตอมที่เป็นกลางซึ่งสะสมอยู่บนแคโทด ไอออนของคลอรีนถึงขั้วบวกจะปล่อยอิเล็กตรอนหนึ่งตัว หลังจากนั้นอะตอมของคลอรีนที่เป็นกลางจะรวมกันเป็นคู่และเกิดเป็นโมเลกุลคลอรีน Cl2 คลอรีนจะถูกปล่อยออกมาที่ขั้วบวกในรูปของฟองอากาศ ในหลายกรณี อิเล็กโทรไลซิสจะมาพร้อมกับ ปฏิกิริยาทุติยภูมิผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวที่ปล่อยออกมาบนอิเล็กโทรดด้วยวัสดุอิเล็กโทรดหรือตัวทำละลาย ตัวอย่างคืออิเล็กโทรไลซิสของสารละลายในน้ำของคอปเปอร์ซัลเฟต CuSO4 ( คอปเปอร์ซัลเฟต) ในกรณีที่อิเล็กโทรดที่แช่อยู่ในอิเล็กโทรไลต์ทำจากทองแดง การแยกตัวของโมเลกุลคอปเปอร์ซัลเฟตเกิดขึ้นตามรูปแบบ: อะตอมทองแดงที่เป็นกลางจะถูกสะสมเป็นของแข็งบนแคโทด ด้วยวิธีนี้จะได้ทองแดงบริสุทธิ์ทางเคมี ไอออนจะบริจาคอิเล็กตรอนสองตัวให้กับขั้วบวกและเปลี่ยนเป็นอนุมูลอิสระ SO4 จะเข้าสู่ปฏิกิริยาทุติยภูมิกับขั้วบวกทองแดง ผลที่ได้คือ โมเลกุลคอปเปอร์ซัลเฟตจะเข้าสู่สารละลาย ดังนั้นเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน สารละลายน้ำคอปเปอร์ซัลเฟตละลายขั้วบวกของทองแดงและสะสมทองแดงไว้บนแคโทด ความเข้มข้นของสารละลายคอปเปอร์ซัลเฟตไม่เปลี่ยนแปลง กฎของอิเล็กโทรไลซิสก่อตั้งขึ้นโดยการทดลองโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ M. Faraday ในปี 1833 กฎของฟาราเดย์กำหนด จำนวนผลิตภัณฑ์หลักปล่อยออกมาบนอิเล็กโทรดระหว่างอิเล็กโทรไลซิส: มวล m ของสารที่ปล่อยออกมาบนอิเล็กโทรดเป็นสัดส่วนโดยตรงกับประจุ Q ที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์:เรียกว่าปริมาณ k เทียบเท่าเคมีไฟฟ้ามวลของสารที่ปล่อยออกมาที่อิเล็กโทรดเท่ากับมวลของไอออนทั้งหมดที่มาถึงอิเล็กโทรด:

โดยที่ NA คือค่าคงที่ของ Avogadro, M = m0NA คือมวลโมลาร์ของสาร, F = eNA - ค่าคงที่ของฟาราเดย์

ค่าคงที่ของฟาราเดย์เป็นตัวเลขเท่ากับประจุที่ต้องส่งผ่านอิเล็กโทรไลต์เพื่อปล่อยสารโมโนวาเลนต์หนึ่งโมลไปที่อิเล็กโทรด กฎของฟาราเดย์สำหรับอิเล็กโทรไลซิสมีรูปแบบ:

ปรากฏการณ์ของอิเล็กโทรไลซิสถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตทางอุตสาหกรรมสมัยใหม่

กระแสไฟฟ้าในก๊าซ

ในก๊าซจะมีการปล่อยกระแสไฟฟ้าที่ไม่ยั่งยืนและยั่งยืนในตัวเอง

ปรากฏการณ์ของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านแก๊ส ซึ่งสังเกตได้ภายใต้สภาวะที่มีอิทธิพลภายนอกต่อแก๊สเท่านั้น เรียกว่า การปล่อยประจุไฟฟ้าที่ไม่ยั่งยืนในตัวเอง กระบวนการกำจัดอิเล็กตรอนออกจากอะตอมเรียกว่าไอออนไนซ์ของอะตอม พลังงานขั้นต่ำที่ต้องใช้เพื่อกำจัดอิเล็กตรอนออกจากอะตอมเรียกว่าพลังงานไอออไนเซชัน ก๊าซไอออไนซ์บางส่วนหรือทั้งหมดซึ่งมีความหนาแน่นของประจุบวกและลบเท่ากันเรียกว่า พลาสมา.

พาหะของกระแสไฟฟ้าในระหว่างการคายประจุที่ไม่ยั่งยืนคือไอออนบวกและอิเล็กตรอนเชิงลบ ลักษณะแรงดันกระแสจะแสดงในรูปที่ 1 54. ในพื้นที่ OAV - การปลดปล่อยที่ไม่ยั่งยืน ในภูมิภาค BC การปลดปล่อยจะเป็นอิสระ

ในระหว่างการปลดปล่อยตัวเอง วิธีหนึ่งในการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมคือการแตกตัวเป็นไอออนของอิเล็กตรอน การทำให้แตกตัวเป็นไอออนจากการชนของอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้นได้เมื่ออิเล็กตรอนที่เส้นทางอิสระเฉลี่ย A ได้รับพลังงานจลน์ W k เพียงพอที่จะทำหน้าที่กำจัดอิเล็กตรอนออกจากอะตอม ประเภทของการปล่อยก๊าซโดยอิสระ - การปล่อยประกายไฟ, โคโรนา, อาร์ก และแสงเรืองแสง

ปล่อยประกายไฟเกิดขึ้นระหว่างอิเล็กโทรดสองอันที่มีประจุต่างกันและมีความต่างศักย์สูง แรงดันไฟฟ้าระหว่างวัตถุที่มีประจุต่างกันสูงถึง 40,000 V การปล่อยประกายไฟนั้นมีอายุการใช้งานสั้นกลไกของมันคือผลกระทบทางอิเล็กทรอนิกส์ ฟ้าผ่าคือการปล่อยประกายไฟชนิดหนึ่ง ในสนามไฟฟ้าที่ไม่เหมือนกันอย่างมาก เกิดขึ้น เช่น ระหว่างปลายกับระนาบ หรือระหว่างสายไฟกับพื้นผิวโลก จะเกิดรูปแบบพิเศษของการปล่อยก๊าซอย่างยั่งยืนในตัวเอง เรียกว่า การปล่อยโคโรนา. การปล่อยอาร์คไฟฟ้าถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย V.V. Petrov ในปี 1802 เมื่ออิเล็กโทรดคาร์บอนสองตัวสัมผัสกันที่แรงดันไฟฟ้า 40-50 V พื้นที่หน้าตัดเล็ก ๆ ที่มีความต้านทานไฟฟ้าสูงจะปรากฏขึ้นในบางแห่ง บริเวณเหล่านี้จะร้อนมากและปล่อยอิเล็กตรอนออกมา ซึ่งทำให้อะตอมและโมเลกุลแตกตัวเป็นไอออนระหว่างอิเล็กโทรด พาหะของกระแสไฟฟ้าในส่วนโค้งคือไอออนและอิเล็กตรอนที่มีประจุบวก เรียกว่าการคายประจุที่เกิดขึ้นที่ความดันลดลง ปล่อยแสง. เมื่อความดันลดลง เส้นทางอิสระเฉลี่ยของอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้น และในช่วงเวลาระหว่างการชนกัน อิเล็กตรอนจะได้รับพลังงานเพียงพอสำหรับการแตกตัวเป็นไอออนในสนามไฟฟ้าที่มีความเข้มต่ำกว่า การปล่อยประจุจะดำเนินการโดยหิมะถล่มของอิเล็กตรอนไอออน

กระแสไฟฟ้าในสุญญากาศ

หากวางอิเล็กโทรดสองตัวไว้ในภาชนะที่ปิดสนิทและนำอากาศออกจากภาชนะ กระแสไฟฟ้าจะไม่เกิดขึ้นในสุญญากาศ - จะไม่มีพาหะของกระแสไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน T. A. Edison (พ.ศ. 2390-2474) ค้นพบในปี พ.ศ. 2422 ว่ากระแสไฟฟ้าสามารถเกิดขึ้นได้ในขวดแก้วสุญญากาศหากอิเล็กโทรดตัวใดตัวหนึ่งในนั้นถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง ปรากฏการณ์การปล่อยอิเล็กตรอนอิสระจากพื้นผิวของวัตถุที่ได้รับความร้อนเรียกว่าการปล่อยความร้อน งานที่ต้องทำเพื่อปล่อยอิเล็กตรอนออกจากพื้นผิวของร่างกายเรียกว่าฟังก์ชันการทำงาน ปรากฏการณ์ของการปล่อยความร้อนอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าเมื่ออุณหภูมิของร่างกายเพิ่มขึ้น พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนบางตัวในสารจะเพิ่มขึ้น หากพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนเกินฟังก์ชันการทำงาน ก็สามารถเอาชนะแรงดึงดูดจากไอออนบวกและปล่อยให้พื้นผิวของร่างกายอยู่ในสุญญากาศ การทำงานของหลอดอิเล็กตรอนชนิดต่างๆ ขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์การปล่อยความร้อน

คำจำกัดความ 1

กระแสไฟฟ้าในโลหะเรียกว่าการเคลื่อนที่ตามลำดับของอิเล็กตรอนภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า

จากการทดลองเป็นที่ชัดเจนว่าตัวนำโลหะไม่ถ่ายโอนสารนั่นคือไอออนของโลหะไม่มีส่วนร่วมในการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า

การศึกษานี้เป็นหลักฐานเกี่ยวกับธรรมชาติทางอิเล็กทรอนิกส์ของกระแสในโลหะ ย้อนกลับไปในปี 1913 L.I. Mandelstam และ N.D. Papalexi ให้ผลลัพธ์คุณภาพสูงเป็นครั้งแรก และในปี 1916 R. Tolman และ B. Stewart ได้ปรับปรุงเทคนิคที่มีอยู่ให้ทันสมัยและทำการวัดเชิงปริมาณซึ่งพิสูจน์ว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของกระแสในตัวนำโลหะ

ภาพที่ 1 12 . รูปที่ 1 แสดงแผนภาพของโทลแมนและสจ๊วต ขดลวดซึ่งประกอบด้วยลวดเส้นเล็กจำนวนมากถูกขับเคลื่อนโดยการหมุนรอบแกนของมัน ปลายของมันติดอยู่กับบัลลิสติกกัลวาโนมิเตอร์ G คอยล์ถูกเบรกกะทันหันซึ่งเป็นผลมาจากการเกิดกระแสไฟฟ้าในระยะสั้นที่เกิดจากความเฉื่อยของตัวพาประจุ ประจุทั้งหมดวัดโดยการขยับเข็มของกัลวาโนมิเตอร์

ภาพที่ 1 12 . 1. แผนผังการทดลองของโทลแมนและสจ๊วต

ในระหว่างการเบรกของขดลวดหมุนแรง F = - m d υ d t เรียกว่าการเบรกซึ่งกระทำกับพาหะประจุแต่ละอัน e F มีบทบาทเป็นแรงภายนอกกล่าวอีกนัยหนึ่งคือแหล่งกำเนิดที่ไม่ใช่ไฟฟ้า มันคือแรงนี้ซึ่งมีหน่วยประจุเป็นลักษณะเฉพาะ นั่นคือความแรงของสนามของแรงภายนอก E กับ t:

E s t = - ฉัน ed υ d t .

นั่นคือเมื่อคอยล์เบรกแรงเคลื่อนไฟฟ้า δ จะปรากฏขึ้นเท่ากับ δ = E ст l = m e d υ d t l โดยที่ l คือความยาวของเส้นลวดขดลวด ช่วงระยะเวลาหนึ่งระหว่างกระบวนการเบรกของคอยล์ถูกกำหนดโดยการไหลของประจุ q ผ่านวงจร:

q = ∫ ฉัน d t = 1 R ∫ δ d t = me l υ 0 R .

สูตรนี้อธิบายว่า l คือค่าปัจจุบันของกระแสในขดลวด R คือความต้านทานรวมของวงจร υ 0 คือความเร็วเชิงเส้นเริ่มต้นของเส้นลวด จะเห็นได้ว่าประจุเฉพาะ em ในโลหะถูกกำหนดตามสูตร:

อี ม = ล. υ 0 R q .

สามารถวัดปริมาณทางด้านขวาได้ จากผลการทดลองของโทลแมนและสจ๊วตพบว่าตัวพาประจุฟรีมีเครื่องหมายลบและอัตราส่วนของตัวพาในมวลนั้นใกล้เคียงกับค่าประจุเฉพาะของอิเล็กตรอนที่ได้รับในการทดลองอื่น มีการเปิดเผยว่าอิเล็กตรอนเป็นพาหะของประจุอิสระ

ข้อมูลสมัยใหม่แสดงให้เห็นว่าโมดูลัสของประจุอิเล็กตรอนนั่นคือประจุเบื้องต้นเท่ากับ e = 1.60218 10 - 19 K l และการกำหนดประจุเฉพาะคือ em = 1.75882 10 11 K l / k g

หากมีความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระที่ดีเยี่ยม ก็สมเหตุสมผลที่จะพูดถึงการนำไฟฟ้าที่ดีของโลหะ สิ่งนี้ถูกค้นพบก่อนการทดลองของโทลแมนและสจ๊วตด้วยซ้ำ ในปี 1900 P. Drude ตามสมมติฐานของการมีอยู่ของอิเล็กตรอนอิสระในโลหะ ได้สร้างทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์เกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของโลหะ ได้รับการพัฒนาและขยายโดย H. Lorentz หลังจากนั้นจึงได้รับชื่อทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์คลาสสิก จากข้อมูลดังกล่าว พวกเขาตระหนักว่าอิเล็กตรอนมีพฤติกรรมเหมือนก๊าซอิเล็กตรอน คล้ายกับก๊าซในอุดมคติในสถานะของมัน ภาพที่ 1 12 . เลข 2 แสดงให้เห็นว่าสามารถเติมช่องว่างระหว่างไอออนที่ก่อตัวเป็นโครงตาข่ายโลหะได้อย่างไร

ภาพที่ 1 12 . 2. ก๊าซของอิเล็กตรอนอิสระในโครงผลึกโลหะ แสดงวิถีโคจรของอิเล็กตรอนตัวใดตัวหนึ่ง

คำจำกัดความ 2

หลังจากอันตรกิริยาของอิเล็กตรอนกับไอออน สิ่งแรกจะออกจากโลหะเพื่อเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นเท่านั้น

ความสูงของสิ่งกีดขวางดังกล่าวเรียกว่า ฟังก์ชั่นการทำงาน.

การมีอุณหภูมิห้องจะป้องกันไม่ให้อิเล็กตรอนผ่านสิ่งกีดขวางนี้ พลังงานศักย์ของการปลดปล่อยอิเล็กตรอนหลังจากการทำปฏิกิริยากับโครงตาข่ายคริสตัลจะน้อยกว่าเมื่ออิเล็กตรอนถูกดึงออกจากตัวนำมาก

คำจำกัดความ 3

ที่ตั้ง จในตัวนำนั้นมีลักษณะของบ่อที่มีศักยภาพซึ่งเรียกว่าความลึก สิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น.

ไอออนที่สร้างโครงตาข่ายและอิเล็กตรอนมีส่วนร่วมในการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน เนื่องจากการสั่นสะเทือนทางความร้อนของไอออนใกล้กับตำแหน่งสมดุลและการเคลื่อนที่ที่วุ่นวายของอิเล็กตรอนอิสระ เมื่ออิเล็กตรอนชนกับอิเล็กตรอนหลัง สมดุลทางอุณหพลศาสตร์ระหว่างอิเล็กตรอนและโครงตาข่ายจะเพิ่มขึ้น

ทฤษฎีบท 1

ตามทฤษฎีของดรูด-ลอเรนซ์ เราพบว่าอิเล็กตรอนมีพลังงานเฉลี่ยเท่ากัน การเคลื่อนไหวทางความร้อนเช่นเดียวกับโมเลกุลของก๊าซในอุดมคติที่มีอะตอมเดี่ยว ทำให้สามารถประมาณความเร็วเฉลี่ยของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอิเล็กตรอนโดยใช้ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุล

อุณหภูมิห้องให้ค่าเท่ากับ 10 5 m/s

หากคุณใช้สนามไฟฟ้าภายนอกกับตัวนำโลหะ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนตามคำสั่งความร้อน (กระแสไฟฟ้า) ซึ่งก็คือดริฟท์จะเกิดขึ้น การหาความเร็วเฉลี่ย υ d § ดำเนินการตามช่วงเวลาที่มีอยู่ ∆ เสื้อ ผ่านหน้าตัด S ของตัวนำอิเล็กตรอนที่อยู่ในปริมาตร S υ d ∆ เสื้อ .

จำนวน e ดังกล่าวเท่ากับ n S υ d ∆ t โดยที่ n รับค่าของความเข้มข้นเฉลี่ยของอิเล็กตรอนอิสระเท่ากับจำนวนอะตอมต่อหน่วยปริมาตรของตัวนำโลหะ สำหรับระยะเวลาที่มีอยู่ ∆ t ประจุ ∆ q = e n S υ d ∆ t ผ่านหน้าตัดของตัวนำ

จากนั้น I = ∆ q ∆ t = e n S υ d หรือ υ d = I e n S

ความเข้มข้นของ n อะตอมในโลหะอยู่ในช่วง 10 28 - 10 29 m - 3

สูตรนี้ทำให้สามารถประมาณความเร็วเฉลี่ย υ d ‐ ของการเคลื่อนที่ตามลำดับของอิเล็กตรอนที่มีค่าในช่วง 0.6 - 6 มม. m/s สำหรับตัวนำที่มีหน้าตัด 1 มม. m 2 และกระแสไหลผ่าน 10 ก.

คำจำกัดความที่ 4

ความเร็วเฉลี่ยυ d § ของการเคลื่อนที่แบบสั่งของอิเล็กตรอนในตัวนำโลหะนั้นมีคำสั่งที่มีขนาดน้อยกว่าความเร็ว υ t ของการเคลื่อนที่ทางความร้อนของพวกมัน υ d ≪ υ t

ภาพที่ 1 12 . รูปที่ 3 แสดงให้เห็นถึงธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของ e อิสระที่อยู่ในโครงตาข่ายคริสตัล

ภาพที่ 1 12 . 3. การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระในโครงผลึกโลหะ: a – การเคลื่อนที่ที่วุ่นวายของอิเล็กตรอนในโครงผลึกโลหะ; b – การเคลื่อนไหววุ่นวายกับการดริฟท์ที่เกิดจากสนามไฟฟ้า สเกลของการดริฟท์ υ d ′ ∆ t นั้นเกินจริงอย่างมาก

การมีความเร็วดริฟท์ต่ำไม่สอดคล้องกับประสบการณ์เมื่อกระแสของวงจรไฟฟ้ากระแสตรงทั้งหมดถูกสร้างขึ้นในทันที การปิดเกิดขึ้นจากสนามไฟฟ้าด้วยความเร็ว c = 3 · 10 8 m/s หลังจากเวลา l c (l คือความยาวของโซ่) การกระจายสนามไฟฟ้าคงที่จะถูกสร้างขึ้นตามแนวโซ่ มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนตามลำดับ

ทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์คลาสสิกของโลหะสันนิษฐานว่าการเคลื่อนที่ของโลหะนั้นอยู่ภายใต้กฎกลศาสตร์ของนิวตัน ทฤษฎีนี้โดดเด่นด้วยความจริงที่ว่าปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนซึ่งกันและกันนั้นถูกละเลย และอันตรกิริยากับไอออนบวกนั้นถือเป็นการชนกัน ซึ่งในระหว่างนั้น e จะให้พลังงานที่สะสมแก่โครงตาข่าย ดังนั้นจึงเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าหลังจากการชนกัน การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะมีคุณลักษณะเป็นความเร็วดริฟท์เป็นศูนย์

สมมติฐานที่เสนอข้างต้นทั้งหมดเป็นเพียงการประมาณเท่านั้น ทำให้สามารถอธิบายกฎของกระแสไฟฟ้าในตัวนำโลหะตามทฤษฎีคลาสสิกอิเล็กทรอนิกส์ได้

กฎของโอห์ม

คำจำกัดความที่ 5

ในช่วงเวลาระหว่างการชน แรงที่มีขนาดเท่ากัน e E กระทำต่ออิเล็กตรอน ซึ่งส่งผลให้ได้รับความเร่ง e m E .

จุดสิ้นสุดของเส้นทางอิสระนั้นมีลักษณะเฉพาะคือความเร็วดริฟท์ของอิเล็กตรอนซึ่งถูกกำหนดโดยสูตร

υ d = υ d ม x = อี อี ม τ .

เวลาเดินทางฟรีแสดงด้วย τ ช่วยให้การคำนวณหาค่าของอิเล็กตรอนทั้งหมดง่ายขึ้น ความเร็วดริฟท์เฉลี่ย υ d เท่ากับครึ่งหนึ่งของค่าสูงสุด:

υ d = 1 2 υ d ม x = 1 2 อี ม τ .

หากมีตัวนำที่มีความยาว l หน้าตัด S ที่มีความเข้มข้นของอิเล็กตรอน n ดังนั้นบันทึกของกระแสในตัวนำจะมีรูปแบบ:

I = e n S υ d = 1 2 e 2 τ n S m E = e 2 τ n S 2 m l U .

U = E l คือแรงดันไฟฟ้าที่ปลายตัวนำ สูตรนี้เป็นการแสดงออกถึงกฎของโอห์มสำหรับตัวนำโลหะ จากนั้นจะต้องพบความต้านทานไฟฟ้า:

R = 2 เมตร อี 2 n τ ล. S .

ความต้านทาน ρ และการนำไฟฟ้า ν แสดงเป็น:

ρ = 2 เมตร อี 2 n τ ; ν = 1 ρ = อี 2 n τ 2 ม.

กฎจูล-เลนซ์

จุดสิ้นสุดของเส้นทางของอิเล็กตรอนภายใต้อิทธิพลของสนามนั้นมีลักษณะเป็นพลังงานจลน์

1 2 ม. (υ d) ม a x 2 = 1 2 จ 2 τ 2 ม. E 2

คำนิยาม 6

ตามสมมติฐาน พลังงานในระหว่างการชนจะถูกถ่ายโอนไปยังโครงตาข่าย และต่อมาเปลี่ยนเป็นความร้อน

เวลา ∆ t อิเล็กตรอนแต่ละตัวผ่านการชน ∆ t τ ตัวนำที่มีหน้าตัด S และความยาว l มีอิเล็กตรอน n S l จากนั้นความร้อนที่ปล่อยออกมาในตัวนำสำหรับ ∆ t จะเท่ากับ

∆ Q = n S l ∆ t τ e 2 τ 2 2 m E 2 = n e 2 τ 2 m S l U 2 ∆ t = U 2 R ∆ t

อัตราส่วนนี้แสดงออก กฎจูล-เลนซ์.

ต้องขอบคุณทฤษฎีคลาสสิกที่มีการตีความการมีอยู่ของความต้านทานไฟฟ้าของโลหะนั่นคือกฎของโอห์มและจูล-เลนซ์ ทฤษฎีอิเล็กตรอนแบบคลาสสิกไม่สามารถตอบทุกคำถามได้

ไม่สามารถอธิบายความแตกต่างในค่าความจุความร้อนโมลของโลหะและผลึกไดอิเล็กทริกได้เท่ากับ 3 R โดยที่ R เขียนเป็นค่าคงที่ของก๊าซสากล ความจุความร้อนของโลหะไม่ได้ขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอนอิสระ

ทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์คลาสสิกไม่ได้อธิบายการขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของความต้านทานของโลหะ ตามทฤษฎี ρ ~ T และจากการทดลอง - ρ ~ T. ตัวอย่างของความแตกต่างระหว่างทฤษฎีและการปฏิบัติคือความเป็นตัวนำยิ่งยวด

ตามทฤษฎีคลาสสิก ความต้านทานของโลหะจะค่อยๆ ลดลงเมื่ออุณหภูมิลดลง และยังคงมีค่าจำกัดที่ T ใดๆ การพึ่งพาอาศัยกันนี้เป็นเรื่องปกติสำหรับการทำการทดลองด้วย อุณหภูมิสูง. หาก T ต่ำเพียงพอ ความต้านทานของโลหะจะสูญเสียการพึ่งพาอุณหภูมิและถึงค่าจำกัด

สิ่งที่น่าสนใจเป็นพิเศษคือปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวด ในปี 1911 มันถูกค้นพบโดย H. Kammerling-Onnes

ทฤษฎีบท 2

หากมีอุณหภูมิที่แน่นอน T k p ซึ่งแตกต่างกันไปตามสารต่างๆ ความต้านทานจะลดลงเหลือศูนย์โดยใช้การกระโดด ดังแสดงในรูปที่ 1 12 . 4.

ตัวอย่างที่ 1

อุณหภูมิวิกฤติสำหรับปรอทถือเป็น 4.1 K สำหรับอลูมิเนียม - 1.2 K สำหรับดีบุก - 3.7 K การมีอยู่ของตัวนำยิ่งยวดไม่เพียงมีอยู่ในองค์ประกอบเท่านั้น แต่ยังอยู่ใน สารประกอบเคมีและโลหะผสม ไนโอเบียมและดีบุก Ni 3 Sn มีจุดอุณหภูมิวิกฤติที่ 18 เคลวิน มีสารบางชนิดที่อุณหภูมิต่ำจะเปลี่ยนสถานะเป็นตัวนำยิ่งยวด แต่ภายใต้สภาวะปกติกลับไม่เป็นเช่นนั้น เงินและทองแดงเป็นตัวนำ แต่อย่ากลายเป็นตัวนำยิ่งยวดเมื่ออุณหภูมิลดลง

ภาพที่ 1 12 . 4. การพึ่งพาความต้านทาน ρ กับอุณหภูมิสัมบูรณ์ T ที่อุณหภูมิต่ำ: a – โลหะปกติ; ข – ตัวนำยิ่งยวด

สถานะของตัวนำยิ่งยวดบ่งบอกถึงคุณสมบัติพิเศษของสาร สิ่งที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งคือความสามารถในการรักษากระแสไฟฟ้าที่ตื่นเต้นในวงจรตัวนำยิ่งยวดเป็นเวลานานโดยไม่มีการลดทอน

ทฤษฎีอิเล็กตรอนแบบคลาสสิกไม่สามารถอธิบายความเป็นตัวนำยิ่งยวดได้ สิ่งนี้เกิดขึ้นได้หลังจากการค้นพบ 60 ปี โดยอาศัยแนวคิดทางกลควอนตัม

มีความสนใจเพิ่มมากขึ้น ปรากฏการณ์นี้เพิ่มขึ้นเมื่อมีวัสดุใหม่ที่สามารถทนต่ออุณหภูมิวิกฤติสูงได้ มันถูกค้นพบในปี 1986 การเชื่อมต่อที่ซับซ้อนด้วยอุณหภูมิ Tk p = 35 K ปีหน้าพวกเขาสามารถสร้างเซรามิกที่มี T วิกฤติที่ 98 K ซึ่งเกิน T ของไนโตรเจนเหลว (77 K)

คำนิยาม 7

ปรากฏการณ์การเปลี่ยนผ่านของสารไปสู่สถานะตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิเกินจุดเดือดของไนโตรเจนเหลวเรียกว่า การนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง.

ต่อมาในปี 1988 สารประกอบ Tl - Ca - Ba - Cu - O ถูกสร้างขึ้นโดยมี T วิกฤตสูงถึง 125 K ช่วงเวลานี้นักวิทยาศาสตร์มีความสนใจที่จะค้นหาสารใหม่ๆมากที่สุด ค่าสูงที ถึง อาร์ พวกเขาคาดหวังว่าจะได้รับสารตัวนำยิ่งยวดที่ อุณหภูมิห้อง. หากทำเช่นนี้จะเกิดการปฏิวัติทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี จนถึงปัจจุบันคุณสมบัติและกลไกทั้งหมดขององค์ประกอบของวัสดุเซรามิกตัวนำยิ่งยวดยังไม่ได้รับการศึกษาอย่างสมบูรณ์

หากคุณสังเกตเห็นข้อผิดพลาดในข้อความ โปรดไฮไลต์แล้วกด Ctrl+Enter