• Главная
  • rss-лента сайта solo-project.com

Закон ома

Электроны в цепи постоянного тока падают, как парашютисты, не нарушая второго закона Ньютона. Как должно двигаться тело, на которое действует Постоянная сила? Ответ: тело под действием постоянной силы движется равноускоренно. Этого требует один из основных законов механики — второй закон Ньютона. Как же должны двигаться свободные электроны в металле, если на них действует с постоянной силой электрическое поле? Не спешите с ответом. Электроны движутся с постоянной средней скоростью, причем легко убедиться, что эта скорость пропорциональна напряженности электрического поля, т. е. действующей силе. Именно этот факт выражается законом Ома, который в школьном учебнике для IX класса формулируется так: для однородной цепи сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению.

Вспомним, что сила тока в проводнике определяется зарядом, прошедшим через поперечное сечение проводника за единицу времени. Так, если сила тока равна 1 Л, то через сечение проводника за 1 с проходит 6,2-1018 электронов. Ясно, что сила тока прямо пропорциональна средней скорости движения электронов. Приложенное напряжение, в свою очередь, пропорционально напряженности электрического поля, т. е. силе, действующей на электроны.

В чем же кажущееся противоречие между законом Ома и вторым законом Ньютона? Оно вызвано тем, что мы забыли о непрерывных столкновениях электронов с ионами кристаллической решетки. Разогнавшийся в электрическом поле электрон при столкновении с ионом теряет приобретенную кинетическую энергию и вновь разгоняется. Таким образом, столкновения с ионами создают сопротивление электрическому току. Вот почему средняя скорость электронов, несмотря на ускорение их электрическим полем, остается постоянной.

Здесь есть некоторая аналогия с падением парашютиста. Хотя на него и действует сила тяжести, он падает с постоянной скоростью, так как сопротивление воздуха компенсирует действие силы тяжести (рис. 7).


закон ома, статьи для начинающих


Теперь уместно привести несколько цифр. Среднее время между двумя столкновениями электрона с ионами решетки очень мало. В меди оно не превышает, например, 3 * 10 ^-14 с. Какой же путь проходит электрон за это время? Умножая приведенную выше среднюю скорость электрона 10 в 7-ой см/с на 3*10 в -14-ой с, мы получим 3*10 в -7-ой см. Мало ли это расстояние? С чем его разумно сравнить? Его надо сравнить с расстоянием между ионами кристаллической решетки, которое примерно равно 3*10^-8 см.

Не кажется ли вам странным полученный результат? Электрон «проявляет удивительную ловкость», пробегая мимо девяти притягивающих его ионов, и сталкивается в среднем только с каждым десятым (рис. 8)


закон ома, статьи для начинающих


Вы вправе удивляться. В самом деле, объяснить такое движение, основываясь лишь на законах классической физики, нельзя. Мы здесь впервые сталкиваемся с тем обстоятельством, что такие фундаментальные законы, как законы Ньютона, закон Кулона, закон Ома, еще недостаточны для полного описания наблюдаемых явлений. Мы должны сделать вывод о том, что эти законы классической физики характеризуют поведение электрона в металле лишь приближенно. Более точный, расчет, движения электронов в металле стал возможен лишь с развитием, на заре XX в. квантовой физики.

Однако не спешите отбрасывать как «устаревшие» законы классической физики. Многие и очень многие опытные факты они описывают с такой высокой точностью, что применять в этих случаях квантовые законы было бы совершенно неразумно.

Итак, направленному движению электронов мешают «качающиеся» тяжелые и большие ионы. Это и создает сопротивление движению электронов — вызывает электрическое сопротивление металла. Если металл нагревать, то «пляска» ионов становится все более бурной, и они сильнее мешают двигаться электронам (рис. 9), поэтому электрическое сопротивление металла при его нагревании увеличивается!


закон ома, статьи для начинающих


Подведем краткий итог.

Металлы хорошо проводят электрический ток, так как уже при комнатнОЙ температуре в них имеется большое количество (например, в меди 3,1* 10^22 электронов на 1 см3) свободных электронов. Электроны являются носителями электрического заряда в металле. Движению свободных электронов в металле мешают попы кристаллической решетки и тем больше, чем выше температура металла. Поэтому электропроводимость металлов с повышением температуры уменьшается

Такова простейшая модель, поясняющая протекание тока через металл.




Похожие записи

Обратите внимание на то, как подвешены провода высоковольтной линии электропередачи. Они висят высоко над землей на гирляндах из фарфоровых или стеклянных изоляторов...

читать далее

Свет управляет электрическим сопротивлением. Как мы только что установили, для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости необходима энергия.

читать далее

Фотоны нарушают равновесие в полупроводнике. Чувствителен ли полупроводник к потоку фотонов? Пусть собственный полупроводник (примесей нет!) долгое время находится при комнатной температуре...

читать далее