Матеріали для Нової української школи 1 клас - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

ФІЗИКА - Золота колекція рефератів - 2018

ЕЛЕКТРИЧНА ПРОВІДНІСТЬ

Надзвичайна властивість речовин неживої природи — електрична провідність — прямо й побічно залежить від взаєморозташування й власних властивостей складових елементів атомів і молекул. Розташування електронів щодо ядра атома, їх механічні (спіни) і магнітні моменти обумовлюють зв’язок і спорідненість атомів, а на складнішому рівні — також і молекул. Загальна, інтегральна характеристика цих атомних і молекулярних систем визначає їх зв'язки й спорідненість із іншими атомними й молекулярними системами.

До складу атома входять незрівнянно легкі частинки, що володіють незмінним електричним зарядом — електрони. За сучасними уявленнями, вони тотожні між собою. Електрони і в атомі Гідрогену, і в атомі Урану однакові. Електрон характеризується масою (вона приблизно в 2000 разів менша від маси ядра атома Гідрогену) і зарядом. Заряд електрона дорівнює 1,6 • 10-19 Кл (кулон — одиниця кількості електрики).

Дуже образну характеристику електронам дав видатний фізик XX ст. Яків Ілліч Френкель: «Щоб скласти собі уявлення про величину електричних зарядів, що причаїлися в надрах речовини, зауважимо, що якби нам удалося витягти по одному електрону з кожного атома Гідрогену, то з 1 г Гідрогену ми одержали б негативний заряд, рівний (в абсолютних електричних одиницях) добутку 5 • 10-10 на 6 • 1023, тобто 3 • 1014 Кл. Сила притягання між цим зарядом і сумарним позитивним зарядом атомів 1 г Гідрогену, позбавлених електронів, на відстані 1 см приблизно дорівнювала б силі притягання тіл з масою 1020 т (більше мільярда мільйонів тонн!). З огляду на те, що електричні сили убувають назад пропорційно квадрату відстані, неважко обчислити, що сила притягання між розглянутими зарядами при віддаленні їх один від одного на відстань, рівну діаметру Землі (близько 13 000 км), хоч зменшилася б у 1019 разів, але дорівнювала б все-таки 10 т».

Електрони перебувають на відстані десятимільярдної частки сантиметра від центра атома — ядра. Негативний заряд електрона компенсується позитивним зарядом ядра. Електрон притягається до ядра з силою, що дорівнює 2,5 • 102 Н. Така сила для частинки, що володіє масою, яку має електрон, величезна. Зв’язок електрона з атомом характеризується роботою, яку треба витратити для того, щоб видалити електрон з вихідного положення. На видалення електрона витрачається енергія, що дорівнює енергії зв’язку електрона з ядром.

Електропровідність властива металам тільки в тому випадку, коли вони перебувають або у твердому, або в рідкому стані (краще - у твердому, гірше - у рідкому). Якщо метали нагріти до такого стану, при якому вони перетворюються на пару, або, що те ж саме, переходять у газову фазу, вони перестають бути провідниками електрики,

обмін електронів припиняється, і в газоподібному стані метали поводяться як неметали-ізолятори (діелектрики).

Чим же можна пояснити явище електропровідності при конденсації «металевої пари»? Чудове пояснення знову знаходимо в Я. І. Френкеля: «Поява електропровідності при конденсації металевої пари у тверде або рідке тіло обумовлюється явищем, що може бути назване «усуспільненням» електронів, тобто втратою деякими електронами зв'язку з індивідуальними атомами».

Усуспільнені електрони здатні вільно переходити від одного атома до іншого. Точніше, зв’язок деяких електронів, що притягаються позитивно зарядженим ядром атома, слабшає і електрони ніби гуляють серед атомів, не порушуючи хімічних властивостей металу, тому що кількість їх у кожного атома не змінюється. Саме електрони, що вільно пересуваються, і надають металу здатність пропускати електричний струм.

Чому ж метали, і насамперед такі як мідь, срібло, золото, мають усуспільнені електрони, що легко покидають індивідуальний атом?

Електрони рухаються в атомах навколо ядра усередині певних оболонок. Енергії електронів у різних оболонках значно відрізняються одна від одної й залежать від середніх відстаней електронів до ядра. Усередині кожної оболонки розходження в енергіях невелике й визначається формою оболонки і її орієнтацією в просторі, а також орієнтацією власного магнітного моменту електрона щодо оболонки.

У 1925 р. швейцарський фізик-теоретик В. Паулі сформулював принцип, названий його іменем. Відповідно до цього принципу в кожному енергетичному стані всередині атома може перебувати не більше одного електрона або на кожному енергетичному рівні — не більше двох електронів із протилежно спрямованими власними магнітними або механічними (спінами) моментами. Електрони в атомі займають щонайнижчі енергетичні рівні.

При утворенні твердого тіла з окремих атомів стан електронів, що рухаються навколо ядер на внутрішніх електронних оболонках, практично не змінюється. Зовнішні ж (валентні) оболонки при зближенні атомів сильно взаємодіють, розщеплюються й об’єднуються, утворюючи валентну зону дозволених енергій твердого тіла. У ряді твердих тіл за цією зоною іде зона заборонених енергій, у якій при температурі, що дорівнює абсолютному нулю, відсутні електрони.

Кількість рівнів у валентній зоні дорівнює кількості рівнів у відповідної оболонці кожного атома, помноженій на кількість атомів у твердому тілі. Ширина валентної зони різних твердих тіл не залежить від розмірів кристала твердого тіла й пропорційна кубічному кореню з числа атомів. Вона складає для різних кристалів 5-10 еВ. Якщо кристал містить 1023 атомів у кубічному сантиметрі.

то енергетична відстань між сусідніми рівнями в зоні дорівнює 10-22 еВ. Така енергія мізерно мала в порівнянні з середньою енергією теплового руху атомів і молекул, що дорівнює при кімнатній температурі 0,04 еВ. Якщо валентна зона повністю укомплектована електронами, то ніякими зовнішніми впливами в неї не можна ввести хоча б один додатковий електрон.

При великій ширині твердої зони тверде тіло є ізолятором. Електрони в ньому не можуть під дією зовнішнього електричного поля набути додаткової швидкості, тобто енергії, що відповідає струму провідності. При малій ширині забороненої зони (0,2-1,5 еВ) тверде тіло є напівпровідником.

Якщо ж валентна зона не повністю зайнята електронами, то тверде тіло є металом. Виявляється, електропровідність, обумовлена концентрацією й рухливістю електроносіїв, обумовлена наявністю електронів на зовнішніх, валентних атомних оболонках. Чим менша енергія зв’язку електронів з ядром, тим простішим є відрив їх від атома, тим легше вони утворюють усуспільнені електрони.

Такі метали, як мідь, срібло, золото, мають по одному електрону, що легко відривається від атома на зовнішній оболонці. У заліза, цинку, магнію по два таких електрони. Алюміній має вже три електрони на зовнішній оболонці атома; ці електрони важче покидають атом, причому відрив їх від залишку атома супроводжується більшими витратами енергії.

Що саме виникає при конденсації атомі в у тверде тіло — метал, напівпровідник або ізолятор, залежить від структури атомів і від ступеня заповнення електронами їхніх валентних оболонок.

У твердих тілах атоми впорядковано розподілені в просторі, складаючи кристалічні гратки, що утворюються багаторазовим повторенням групи атомів, яка називається елементарною чарункою. Залежно від природи частинок, що перебувають у вузлах кристалічних ґраток, і від характеру сил взаємодії між ними вирізняються такі типи кристалічних ґраток; атомні, йонні й молекулярні.

У вузлах кристалічних ґраток металів розташовані позитивні йонн, між якими безладно, подібно до газових молекул, рухаються усуспільнені електрони, які відщепилися від атомів при утворенні кристала. Ці електрони є провідниками струму й одночасно тримають у купі позитивні йони ґраток. Опір металів визначається тим, що при температурах, відмінних від нуля, йони у вузлах ґраток набувають теплових гармонійних коливань, причому впорядкований рух електронів у напрямку зовнішнього електричного поля порушується тим сильніше, чим більша амплітуда коливань йонів, тобто чим вища температура. Таким чином, опір металів зростає зі збільшенням температури.

У вузлах атомних (або гомеополярних) кристалічних ґраток розміщаються однакові нейтральні атоми. Такі зв’язки властиві графіту, алмазу, кремнію, германію й т. ін. У цих ґратках атоми настільки наближені один до одного, що їхні валентні оболонки переплітаються, завдяки чому виникають особливі, обмінні сили, які викликають щільніше зчеплення. Пояснення природи обмінних сил дається у квантовій механіці. За аналогією до молекули водню можна вважати, що гомеополярний зв’язок виникає завдяки обміну електронами, що рухаються в загальній оболонці, яка охоплює обидва ядра молекули. Таким чином, гомеополярний або воднеподібний зв'язок здійснюється електронними парами.

Що ж до йонних (або гетерополярних) кристалічних ґраток, то в їх вузлах знаходяться позитивні й негативні йони рівного заряду, що чергуються між собою, у результаті чого кристал загалом є нейтральним. Сили взаємодії між йонами (сили зв’язку) є електростатичними силами притягання між різнойменними зарядами (кулонівськими силами).

Увесь кристал загалом можна розглядати як одну гігантську молекулу.

Нарешті, молекулярні кристалічні ґратки складаються з молекул води, молекул кисню й т. ін. Сили зв’язку в них визначаються силами притягання між електричними диполями окремих молекул.









загрузка...