Почему металлы проводят электрический ток

2. Общие физические свойства металлов

Металлическая связь — это химическая связь, образующаяся за счёт притяжения катионов (положительно заряженных ионов) металлов и свободно перемещающихся электронов (так называемого «электронного газа»), заряженных отрицательно.

Рис. \(1\). Кристаллическая решётка металла

На рисунке изображена модель кристаллической решётки металлов: в узлах кристаллической решётки находятся как электрически нейтральные, так и положительно заряженные катионы металлов, а между ними свободно перемещаются отрицательно заряженные электроны (электронный газ).

За счёт наличия в кристаллах свободно движущихся электронов для большинства металлов характерны общие физические свойства: особый металлический блеск, высокие электропроводность и теплопроводность, ковкость и другие.

Общие физические свойства металлов
Агрегатное состояние и цвет металлов

• При обычных условиях все металлы (за исключением ртути, её температура плавления — \(–39\) °C) являются твёрдыми веществами.
• Способность металлов отражать падающий на них свет является причиной наличия у них особого металлического блеска.
• Металлы не имеют запаха.

В технике металлы принято подразделять на чёрные и цветные . Как правило, к чёрным металлам относят железо и его сплавы, а к цветным — все остальные металлы.

Почему металлы — это идеальные проводники тока? Примеры проводников с фото

Электричество изменило мир, а металлы сыграли в этом ключевую роль. Их уникальные свойства позволили человечеству использовать электрическую энергию в быту, науке и промышленности. Давайте разберем примеры проводников тока среди металлов.

Общие сведения о проводниках тока

Проводниками называют вещества, легко пропускающие электрический ток. Это связано с наличием свободных заряженных частиц, которые могут двигаться внутри вещества.

К проводникам относятся металлы, углерод, электролиты. В жидком состоянии хорошо проводят ток ртуть и расплавленные металлы. В газообразном — плазма.

Проводники резко отличаются от диэлектриков (изоляторов), где заряженные частицы фиксированы внутри молекул.

Почему металлы так хорошо проводят ток?

В металлах атомы отдают внешние электроны в общую электронную оболочку. Эти свободные электроны легко двигаются по всему объему металла под действием электрического поля.

Поэтому металлы имеют самую высокую электропроводность среди всех веществ, и их часто используют для изготовления проводов.

Медь как идеальный проводник

Медь широко применяется для изготовления проводов благодаря высокой электропроводности, пластичности и доступности.

Физические свойства меди:

• Высокая электропроводность (2-е место после серебра)
• Пластичность и ковкость
• Устойчивость к коррозии
• Доступность и относительная дешевизна

Все эти качества делают медь идеальным материалом для изготовления проводов, кабелей, контактов.

Применение меди как проводника

Медь широко используется в бытовой технике, энергетике, электронике:

1. Медные провода в электропроводке зданий и сооружений
2. Обмоточные провода в электродвигателях и трансформаторах
3. Соединительные провода в радиоэлектронной аппаратуре
4. Токопроводящие дорожки в печатных платах

Длина медных проводов, использованных человеком:	5 млн км
Масса всех медных проводов на Земле:	30 млн тонн

Как видно, человечество активно использует медь для передачи электроэнергии. И в будущем роль меди как проводника вряд ли уменьшится.

Интересные факты об использовании медных проводов

Медные провода незаменимы при передаче электроэнергии, поэтому люди использовали их в самых неожиданных местах:

• Самый длинный медный провод в мире — 1150 км, он соединяет гидроэлектростанцию с городами в провинции Квебек, Канада.
• В электронном микроскопе применяют сверхтонкие медные провода для подключения образца.
• НАСА использовало медные провода в скафандрах астронавтов, чтобы собирать данные о их состоянии.

Серебро vs медь: сравнение проводников

Хотя медь широко используется как проводник, по электропроводности она уступает серебру. Давайте сравним эти металлы.

У серебра на 6% выше электропроводность по сравнению с медью. Кроме того, серебро обладает повышенной стойкостью к окислению.

Благодаря этому, серебряные провода и контакты используются в радиоэлектронике, научных приборах, авиакосмической технике.

Несмотря на преимущества серебра, медь не утратила своих позиций как проводник. Причин тому несколько:

1. Медь дешевле серебра примерно в 100 раз
2. Медь более пластична, ее легче обрабатывать
3. Запасы меди превышают запасы серебра на порядок

Поэтому в промышленных масштабах выгоднее использовать именно медь, несмотря на чуть меньшую проводимость.

Примеры проводников и диэлектриков в физике

Рассмотрим типичные примеры проводников и диэлектриков, часто фигурирующие в учебниках физики и научных работах.

• Металлы (медь, серебро, золото, алюминий)
• Уголь, графит
• Электролиты (кислоты, щелочи, солевые растворы)

• Пластмасса
• Резина
• Мрамор
• Дистиллированная вода

Чтобы лучше понять свойства проводников, ученые проводили интерессные эксперименты. Давайте рассмотрим некоторые из них.

Опыты Эрстеда

Датский физик Эрстед в 1820 году открыл взаимодействие электрического тока и магнитного поля. В своих опытах он пропускал ток по медному проводу и наблюдал отклонение магнитной стрелки рядом с проводом.

Это фундаментальное открытие показало, что движущиеся заряженные частицы в проводнике порождают магнитное поле. Именно на этом принципе работают все электродвигатели и генераторы.

Опыты Фарадея

Английский ученый Фарадей продемонстрировал обратный эффект — возникновение электрического тока в проводнике при изменении магнитного поля. Это явление назвали электромагнитной индукцией.

В своих опытах Фарадей двигал постоянным магнитом возле медной катушки и фиксировал появление тока в катушке. Это открытие легло в основу принципа работы всех электрогенераторов.

Сверхпроводники

Особый класс проводников — сверхпроводники. При охлаждении ниже определенной критической температуры они обретают уникальное свойство:

Сопротивление сверхпроводников падает до нуля, и они начинают проводить электрический ток без потерь энергии.

Это открытие произвело фурор в физике XX века и до сих пор активно изучается.

Перспективы применения

Уникальные свойства сверхпроводников открывают им дорогу в передовые технологии:

• Сверхпроводящие магниты для ускорителей элементарных частиц и термоядерного синтеза
• Сверхпроводящие кабели для передачи электроэнергии без потерь
• Сверхбыстрые сверхпроводящие компьютеры

Ученые ведут активные исследования в этом направлении. И хотя практическое применение сверхпроводников пока ограничено из-за сложностей с охлаждением, в будущем нас ждут интересные открытия.

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад

Физика

Урок 6: Электрический ток в металлах. Действия электрического тока. Направление тока

• Видео
• Тренажер
• Теория

Структура металлов

На предыдущих уроках мы изучили практически все понятия, связанные с возникновением электрического тока: электрические заряды, электрическое поле, источники тока, простейшие электрические цепи и электрические схемы. Теперь нам предстоит выяснить, как течёт электрический ток в металлах, какие действия оказывает электрический ток, а также направление тока.

Металлы, как мы выяснили из экспериментов на предыдущих уроках, хорошо проводят электрический ток. Для того чтобы пояснить этот факт, зададимся вопросом: а что же такое металлы?

Металлы, как правило, – это поликристаллические вещества (состоящие из множества кристаллов) (рис. 1-2).

Рис. 1. Металлы (Источник)	Рис. 2. Структура железа (Источник)

Движение электронов в металлах до появления электрического поля

То есть, в металлах мы имеем дело с упорядоченной структурой атомов: каждый атом находится на своём конкретном месте.

Как мы уже знаем, вокруг ядра атомов движутся электроны.

Что же даёт возможность появления свободных электрических зарядов?

Дело в том, что дальние электроны (те, которые находятся на самых удалённых от ядра орбитах) довольно слабо связаны с ядром. Поэтому они могут довольно легко переходить от одного атома к другому. Такое беспорядочное движение электронов чем-то напоминает электронный газ. Если внутри металла нет электрического поля, то движение этих свободных электронов чем-то напоминает движение поднятого в воздух роя мошкары в летний день (рис. 3).

Рис. 3. Движение электронов внутри металлического проводника (Источник)

Движение электронов в металлах после появления электрического поля

Всё изменяется, когда внутри металла появляется электрическое поле. Электрическое поле заставляет двигаться заряженные частицы. Ядра атомов остаются на месте, а вот электроны начинают упорядоченно двигаться.

Электрический ток в металлах

Электроны, перескакивая от одного атома к другому, движутся в том направлении, куда им указывает электрическое поле. Это движение и называется электрическим током в металлах.

Мы знаем, что электрический ток – это направленное, упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах в роли движущихся заряженных частиц выступают электроны. В других веществах это могут быть ионы или ионы и электроны.

Движение заряженных частиц (в металлах – электронов) происходит очень медленно (доли миллиметров в секунду). Возникает вопрос: почему же, когда мы нажимаем на выключатель, лампочка загорается практически мгновенно?

Дело в том, что внутри проводников с огромной скоростью (со скоростью света – приблизительно 300 000 километров в секунду) распространяется электрическое поле.

При замыкании цепи поле распространяется практически мгновенно. А уже вслед за полем начинают медленно двигаться электроны, причём сразу по всей цепи. Эту ситуацию можно сравнить с движением воды в водопроводе. Воду заставляет двигаться давление в трубах, которое при открытии крана распространяется практически мгновенно, заставляя «ближайшую» к крану воду выливаться. При этом по трубам движется вся вода под этим самым давлением. Получается, что давление – это аналог электрического поля, а вода – аналог электронов. Как только прекращается действие электрического поля, сразу прекращается упорядоченное движение электрических зарядов.

Опыт Рикке

Возникает логичный вопрос: а не изменяется ли проводник из-за того, что из него «ушли» электроны? Опыт по подтверждению того, что все электроны одинаковые, был проведён немецким учёным Рикке (рис. 4) тогда, когда на трамвайных линиях использовали три разных проводника: алюминиевый и два медных.

Рис. 4. Карл Виктор Рикке (Источник)

Рикке в течение года наблюдал за последовательным соединением трёх проводников: медь + алюминий + медь. Поскольку ток в трамвайных линиях течёт довольно большой, то эксперимент позволял дать однозначный ответ: одинаковы ли электроны, которые являются носителями отрицательного заряда в разных проводниках.

За год масса проводников не изменилась, диффузии не произошло, то есть структура проводников осталась неизменной. Из этого следовал вывод, что электроны могут переходить из одного проводника в другой, но структура их при этом не изменится.

Действия тока

Поговорим теперь о том, какое действие оказывает электрический ток. За счёт чего он получил такое широкое применение в быту и технике?

Можно выделить три основных действия электрического тока:

1. Тепловое. При прохождении тока проводник нагревается. Это одно из самых главных действий тока, которое используется человеком. Самый простой пример – некоторые бытовые обогреватели (рис. 5).

Рис. 5. Электрообогреватель (Источник)

2. Химическое. Проводник может изменять химический состав при прохождении по нему тока. В частности, при помощи электрического тока добывают некоторые металлы в чистом виде, выделяя их из различных соединений. К примеру, таким образом получают алюминий (рис. 6).

Рис. 6. Электролизный цех алюминиевого завода (Источник)

3. Магнитное. Если по проводнику течёт ток, то магнитная стрелка вблизи такого проводника изменит своё положение.

Направление тока

Теперь поговорим о направлении электрического тока.

За направление электрического тока принимается направление движения положительных электрических зарядов.

Но только что мы говорили о том, что ток в металлах создают движущиеся электроны, которые имеют отрицательный заряд. Почему же возникает такое противоречие?

Когда возник вопрос о направлении электрического тока, ещё никто не знал о существовании электронов. Было решено считать, что ток движется в направлении движения положительных зарядов. Прошло время, учёные выяснили, что в металлах, в частности, движутся электроны, но было решено оставить всё в прежнем виде. Это связано с тем, что знак заряда нас практически не интересует, гораздо больше нас интересует само действие тока.

Движение электронов в проводнике противоположно направлению электрического поля (рис. 7).

Рис. 7. Движение электронов в проводнике (Источник)

На этом уроке мы выяснили, как течёт ток в металлах, узнали о действиях электрического тока, а также определили направление тока.

На следующем уроке мы начнём знакомиться с числовыми характеристиками тока.

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Фестиваль педагогических идей «Открытый урок» (Источник)
2. Фестиваль педагогических идей «Открытый урок» (Источник)
3. Фестиваль педагогических идей «Открытый урок» (Источник)

Домашнее задание

1. П. 34–36, вопросы 1–4, стр. 81, вопросы 1–7, стр. 83, вопросы 1–3, стр. 84. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
2. В каких устройствах используется тепловое действие тока? Магнитное действие?
3. Какие действия тока можно наблюдать, пропуская ток через морскую воду?