Механизм прохождения тока по металлам
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ОБЪЕМНОГО
МЕДНОГО ПРОВОДНИКА
Цель работы: Изучить электропроводность объемного медного проводника, рассчитать его основные электрофизические параметры и проанализировать полученные экспериментальные данные на основе сравнения со справочными характеристиками.
Задания:
- Ознакомиться с теоретическими сведениями по работе.
- Изучить принцип работы лабораторной установки.
- Снять зависимость изменения сопротивления объемного медного проводника от температуры.
- Рассчитать основные электрофизические параметры исследуемого образца меди (удельное сопротивление, удельную проводимость, температурный коэффициент удельного сопротивления, удельную теплопроводность).
- Сравнить полученные данные со справочными значениями и сделать вывод об изучаемом материале.
Теоретические сведения
Механизм прохождения тока по металлам
Механизм прохождения тока по металлам обусловлен движением свободных электронов, следовательно, проводники являются материалами с электронной проводимостью, т.е. так называемые проводники первого рода. Проводниками второго рода называются электролиты, представляющие собой растворы кислот и щелочей.
Электропроводность металлов обусловлена наличием большого числа свободных электронов. Согласно классической теории Друде-Лоренца, электроны в металлах обобществлены в некий единый электронный газ. Данная теория хорошо действует в диапазоне эксплуатационных температур, однако, при температурах, близких к 0 К и в зонах плавления, она не работает: описывая поведение электронов газовыми законами, теория утверждает, что все электроны должны лишиться своей энергии, а металлы при этом перестанут проводить электрический ток, что не верно. Поэтому в настоящее время электропроводность металлов принято описывать по законам квантовой статистики Ферми-Дирака, которая утверждает:
,
где е – заряд электрона;
n - концентрация электронов;
- длина свободного пробега;
h – постоянная Планка.
С точки зрения зонной теории твёрдого тела металлы представляют собой вещества, у которых валентная зона смыкается с зоной проводимости (может быть, даже перекрывается ею), то есть запрещенная зона отсутствует, что обуславливает лёгкость возникновения свободных носителей заряда.
В зонной диаграмме металла присутствует уровень Ферми, для металлов он определяется как верхний заполненный энергетический уровень при абсолютном нуле по кельвину (то есть электроны теряют свою энергию, но они не падают на нулевой энергетический уровень, а занимают низшие энергетические уровни). Электроны как наиболее подвижные элементарные частицы в материале являются главными носителями энергии, причём не только электрической но и тепловой. Следовательно, чем больше электронов и, следовательно, чем выше электропроводность материала, тем выше теплопроводность, что подтверждается законом Лоренца:
,
где 
- удельная теплопроводность,
- число Лоренца (является постоянной для материала).