На уроке пойдет речь о зависимости силы тока в цепи от напряжения и будет введено такое понятие, как сопротивление проводника и единица измерения сопротивления. Будет рассмотрена различная проводимость веществ и причины ее возникновения и зависимости от строения кристаллической решетки вещества.
Тема: Электромагнитные явления
Урок: Электрическое сопротивление проводника. Единица сопротивления
Начнем с того, что расскажем, каким образом пришли к такой физической величине, как электрическое сопротивление. При изучении начал электростатики уже шла речь о том, что различные вещества имеют различные свойства проводимости, т. е. пропускания свободных заряженных частиц: металлы имеют хорошую проводимость, поэтому их называют проводниками, дерево и пластики - крайне плохую, поэтому их называют непроводниками (диэлектриками). Объясняются такие свойства особенностями молекулярного строения вещества.
Первые эксперименты по изучению свойств проводимости веществ проводились несколькими учеными, но в историю вошли опыты немецкого ученого Георга Ома (1789-1854) (рис. 1).
Опыты Ома заключались в следующем. Он использовал источник тока, прибор, который мог регистрировать силу тока, и различные проводники. Подключая в собранную электрическую схему различные проводники, он убедился в общей тенденции: при увеличении напряжения в цепи сила тока тоже увеличивалась. Кроме этого, Ом пронаблюдал очень важное явление: при подключении различных проводников зависимость нарастания силы тока при увеличении напряжения проявляла себя по-разному. Графически такие зависимости можно изобразить, как на рисунке 2.
Рис. 2.
На графике по оси абсцисс отложено напряжение, по оси ординат - сила тока. В системе координат отложено два графика, которые демонстрируют, что в различных цепях сила тока может возрастать с различной скоростью по мере увеличения напряжения.
Вследствие проведенных экспериментов Георг Ом делает вывод о том, что различные проводники обладают различными свойствами проводимости. Из-за этого было введено такое понятие, как электрическое сопротивление.
Определение. Физическая величина, характеризующая свойство проводника влиять на протекающий по нему электрический ток, называется электрическим сопротивлением .
Обозначение : R.
Единица измерения : Ом.
В результате упомянутых экспериментов было выяснено, что взаимосвязь между напряжением и силой тока в цепи зависит не только от вещества проводника, но и от его размеров, о чем пойдет речь в отдельном уроке.
Обсудим более подробно возникновение такого понятия, как электрическое сопротивление. На сегодняшний день его природа достаточно хорошо объяснена. В процессе движения свободных электронов они постоянно взаимодействуют с ионами, которые входят в строение кристаллической решетки. Таким образом, замедление движения электронов в веществе из-за столкновений с узлами кристаллической решетки (атомами) обусловливает проявление электрического сопротивления.
Кроме электрического сопротивления вводится еще связанная с ним величина - электрическая проводимость, которая взаимообратна к сопротивлению.
Опишем зависимости между величинами, которые мы ввели на нескольких последних уроках. Нам уже известно, что при увеличении напряжения растет и сила тока в цепи, т. е. они пропорциональны:
С другой стороны, при увеличении сопротивления проводника наблюдается уменьшение силы тока, т. е. они обратно пропорциональны:
Эксперименты показали, что эти две зависимости приводят к следующей формуле:
Следовательно, из этого можно получить, каким образом выражается 1 Ом:
Определение. 1 Ом - такое сопротивление, при котором на концах проводника напряжение 1 В, а сила тока на нем при этом 1 А.
Сопротивление 1 Ом очень маленькое, поэтому, как правило, на практике используются проводники с гораздо большим сопротивлением 1 кОм, 1 Мом и т. д.
В завершение можно сделать вывод о том, что сила тока, напряжение и сопротивление - это взаимосвязанные величины, которые влияют друг на друга. Подробно об этом мы поговорим на следующем уроке.
Список литературы
- Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. - М.: Мнемозина.
- Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.
Дополнительные р екомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Школа для электрика ().
- Электротехника ().
Домашнее задание
- Стр. 99: вопросы № 1-4, упражнение № 18. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Если напряжение на резисторе - 8 В, сила тока равна 0,2 А. При каком напряжении сила тока в резисторе будет равна 0,3 А?
- Электрическую лампочку подключили к сети 220 В. Каково сопротивление лампочки, если при замкнутом ключе амперметр, включенный в цепь, показывает 0,25 А?
- Подготовьте доклад о биографии жизни и научных открытиях ученых, положивших начало изучению законов постоянного тока.
При замыкании электрической цепи, на зажимах которой имеется разность потенциалов, возникает электрический ток. Свободные электроны под влиянием электрических сил поля перемещаются вдоль проводника. В своем движении электроны наталкиваются на атомы проводника и отдают им запас своей кинетической энергии. Скорость движения электронов непрерывно изменяется: при столкновении электронов с атомами, молекулами и другими электронами она уменьшается, потом под действием электрического поля увеличивается и снова уменьшается при новом столкновении. В результате этого в проводнике устанавливается равномерное движение потока электронов со скоростью нескольких долей сантиметра в секунду. Следовательно, электроны, проходя по проводнику, всегда встречают с его стороны сопротивление своему движению. При прохождении электрического тока через проводник последний нагревается.
Электрическое сопротивление
Электрическим сопротивлением проводника, которое обозначается латинской буквой r , называется свойство тела или среды превращать электрическую энергию в тепловую при прохождении по нему электрического тока.
На схемах электрическое сопротивление обозначается так, как показано на рисунке 1, а .
Переменное электрическое сопротивление, служащее для изменения тока в цепи, называется реостатом . На схемах реостаты обозначаются как показано на рисунке 1, б . В общем виде реостат изготовляется из проволоки того или иного сопротивления, намотанной на изолирующем основании. Ползунок или рычаг реостата ставится в определенное положение, в результате чего в цепь вводится нужное сопротивление.
Длинный проводник малого поперечного сечения создает току большое сопротивление. Короткие проводники большого поперечного сечения оказывают току малое сопротивление.
Если взять два проводника из разного материала, но одинаковой длины и сечения, то проводники будут проводить ток по-разному. Это показывает, что сопротивление проводника зависит от материала самого проводника.
Температура проводника также оказывает влияние на его сопротивление. С повышением температуры сопротивление металлов увеличивается, а сопротивление жидкостей и угля уменьшается. Только некоторые специальные металлические сплавы (манганин, констаитан, никелин и другие) с увеличением температуры своего сопротивления почти не меняют.
Итак, мы видим, что электрическое сопротивление проводника зависит от: 1) длины проводника, 2) поперечного сечения проводника, 3) материала проводника, 4) температуры проводника.
За единицу сопротивления принят один Ом. Ом часто обозначается греческой прописной буквой Ω (омега). Поэтому вместо того чтобы писать "Сопротивление проводника равно 15 Ом", можно написать просто: r
= 15 Ω.
1 000 Ом называется 1 килоом
(1кОм, или 1кΩ),
1 000 000 Ом называется 1 мегаом
(1мгОм, или 1МΩ).
При сравнении сопротивления проводников из различных материалов необходимо брать для каждого образца определенную длину и сечение. Тогда мы сможем судить о том, какой материал лучше или хуже проводит электрический ток.
Видео 1. Сопротивление проводников
Удельное электрическое сопротивление
Сопротивление в омах проводника длиной 1 м, сечением 1 мм² называется удельным сопротивлением и обозначается греческой буквой ρ (ро).
В таблице 1 даны удельные сопротивления некоторых проводников.
Таблица 1
Удельные сопротивления различных проводников
Из таблицы видно, что железная проволока длиной 1 м и сечением 1 мм² обладает сопротивлением 0,13 Ом. Чтобы получить 1 Ом сопротивления нужно взять 7,7 м такой проволоки. Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро. 1 Ом сопротивления можно получить, если взять 62,5 м серебряной проволоки сечением 1 мм². Серебро – лучший проводник, но стоимость серебра исключает возможность его массового применения. После серебра в таблице идет медь: 1 м медной проволоки сечением 1 мм² обладает сопротивлением 0,0175 Ом. Чтобы получить сопротивление в 1 Ом, нужно взять 57 м такой проволоки.
Химически чистая, полученная путем рафинирования, медь нашла себе повсеместное применение в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов. Широко применяют также в качестве проводников алюминий и железо.
Сопротивление проводника можно определить по формуле:
где r – сопротивление проводника в омах; ρ – удельное сопротивление проводника; l – длина проводника в м; S – сечение проводника в мм².
Пример 1. Определить сопротивление 200 м железной проволоки сечением 5 мм².
Пример 2. Вычислить сопротивление 2 км алюминиевой проволоки сечением 2,5 мм².
Из формулы сопротивления легко можно определить длину, удельное сопротивление и сечение проводника.
Пример 3. Для радиоприемника необходимо намотать сопротивление в 30 Ом из никелиновой проволоки сечением 0,21 мм². Определить необходимую длину проволоки.
Пример 4. Определить сечение 20 м нихромовой проволоки, если сопротивление ее равно 25 Ом.
Пример 5. Проволока сечением 0,5 мм² и длиной 40 м имеет сопротивление 16 Ом. Определить материал проволоки.
Материал проводника характеризует его удельное сопротивление.
По таблице удельных сопротивлений находим, что таким сопротивлением обладает свинец.
Выше было указано, что сопротивление проводников зависит от температуры. Проделаем следующий опыт. Намотаем в виде спирали несколько метров тонкой металлической проволоки и включим эту спираль в цепь аккумулятора. Для измерения тока в цепь включаем амперметр. При нагревании спирали в пламени горелки можно заметить, что показания амперметра будут уменьшаться. Это показывает, что с нагревом сопротивление металлической проволоки увеличивается.
У некоторых металлов при нагревании на 100° сопротивление увеличивается на 40 – 50 %. Имеются сплавы, которые незначительно меняют свое сопротивление с нагревом. Некоторые специальные сплавы практически не меняют сопротивления при изменении температуры. Сопротивление металлических проводников при повышении температуры увеличивается, сопротивление электролитов (жидких проводников), угля и некоторых твердых веществ, наоборот, уменьшается.
Способность металлов менять свое сопротивление с изменением температуры используется для устройства термометров сопротивления. Такой термометр представляет собой платиновую проволоку, намотанную на слюдяной каркас. Помещая термометр, например, в печь и измеряя сопротивление платиновой проволоки до и после нагрева, можно определить температуру в печи.
Изменение сопротивления проводника при его нагревании, приходящееся на 1 Ом первоначального сопротивления и на 1° температуры, называется температурным коэффициентом сопротивления и обозначается буквой α.
Если при температуре t 0 сопротивление проводника равно r 0 , а при температуре t равно r t , то температурный коэффициент сопротивления
Примечание. Расчет по этой формуле можно производить лишь в определенном интервале температур (примерно до 200°C).
Приводим значения температурного коэффициента сопротивления α для некоторых металлов (таблица 2).
Таблица 2
Значения температурного коэффициента для некоторых металлов
Из формулы температурного коэффициента сопротивления определим r t :
r t = r 0 .
Пример 6. Определить сопротивление железной проволоки, нагретой до 200°C, если сопротивление ее при 0°C было 100 Ом.
r t = r 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 Ом.
Пример 7. Термометр сопротивления, изготовленный из платиновой проволоки, в помещении с температурой 15°C имел сопротивление 20 Ом. Термометр поместили в печь и через некоторое время было измерено его сопротивление. Оно оказалось равным 29,6 Ом. Определить температуру в печи.
Электрическая проводимость
До сих пор мы рассматривали сопротивление проводника как препятствие, которое оказывает проводник электрическому току. Но все же ток по проводнику проходит. Следовательно, кроме сопротивления (препятствия), проводник обладает также способностью проводить электрический ток, то есть проводимостью.
Чем большим сопротивлением обладает проводник, тем меньшую он имеет проводимость, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем большей проводимостью он обладает, тем легче току пройти по проводнику. Поэтому сопротивление и проводимость проводника есть величины обратные.
Из математики известно, что число, обратное 5, есть 1/5 и, наоборот, число, обратное 1/7, есть 7. Следовательно, если сопротивление проводника обозначается буквой r , то проводимость определяется как 1/r . Обычно проводимость обозначается буквой g.
Электрическая проводимость измеряется в (1/Ом) или в сименсах.
Пример 8. Сопротивление проводника равно 20 Ом. Определить его проводимость.
Если r = 20 Ом, то
Пример 9. Проводимость проводника равна 0,1 (1/Ом). Определить его сопротивление,
Если g = 0,1 (1/Ом), то r = 1 / 0,1 = 10 (Ом)
На сегодняшний день одной из важнейших характеристик любого материала является его электрическое сопротивление. Этот факт объясняется беспрецедентным в истории человечества распространением электрических машин, заставившим по-иному взглянуть на свойства окружающих материалов как искусственного, так и естественного происхождения. Понятие «электрическое сопротивление» стало таким же важным, как теплоемкость и пр. Оно применимо абсолютно ко всему, что нас окружает: вода, воздух, металл, даже вакуум.
Каждый современный человек должен иметь представление о данной характеристике материалов. На вопрос «что же такое электрическое сопротивление» можно ответить лишь в том случае, если известен смысл термина «электрический ток». С этого и начнем…
Материальным проявлением энергии является атом. Все состоит из них, соединенных в группы. Существующая в настоящее время физическая модель утверждает, что атом походит на уменьшенную модель звездной системы. В центре находится ядро, включающее в себя частицы двух типов: нейтроны и протоны. Протон несет электрический положительный заряд. На разных расстояниях от ядра по круговым орбитам вращаются другие частицы - электроны, несущие отрицательный заряд. Количество протонов всегда соответствует количеству электронов, поэтому суммарный заряд равен нулю. Чем удаленнее от ядра находится орбита электрона (валентный), тем слабее сила притяжения, удерживающая его в структуре атоме.
В генерирующей ток машине магнитное поле высвобождает из орбит Так как в утратившего электрон, остается «лишний» протон, то сила притяжения «отрывает» другой валентный электрон из внешней орбиты соседнего атома. В процесс завлекается вся структура материала. В результате появляется движение заряженных частиц (атомов с положительным зарядом и свободных электронов с отрицательным), которое и называется электрическим током.
Материал, в структуре которого электроны внешних орбит могут легко покидать атом, называется проводником. Его электрическое сопротивление мало. Это группа металлов. Например, для производства проводов в основном используют алюминий и медь. По закону Ома электрическое представляет собой отношение созданного генератором напряжения к силе проходящего тока. Кстати, в "Омах".
Легко догадаться, что существуют материалы, в которых валентных электронов очень мало или атомы сильно удалены друг от друга (газ), поэтому их внутренняя структура не может обеспечить прохождение тока. Они носят название диэлектриков и используются для изолирования проводящих линий в электротехнике. Электрическое сопротивление в них очень высоко.
Всем известно, что мокрый диэлектрик начинает проводить электрический ток. В свете этого факта особый интерес приобретает вопрос «существует ли электрическое сопротивление воды». Ответ на него противоречивый: и да, и нет. Как уже указывалось ранее, если в материале валентных электронов практически нет, а сама структура состоит больше из пустоты, чем частиц (вспоминаем таблицу Менделеева и водород с единственным электроном на орбите), то в обычных условиях проводимость существовать не может. Под это описание идеально подходит вода: соединение двух газов, называемое нами жидкостью. И действительно, будучи полностью очищенной от растворенных примесей, она является очень хорошим диэлектриком. Но так как в природе в воде всегда присутствуют растворы солей, то обеспечивается именно ими. На ее уровень влияет насыщенность раствора и температура Вот поэтому однозначного ответа на вопрос быть не может, ведь вода бывает разной.
Этот сайт никак не мог обойтись без статьи про сопротивление. Ну никак! Есть в электронике самое фундаментальное понятие, которое является к тому же физическим свойством. Ты наверно уже знаком с вот этими друзьями:
Сопротивление -- это свойство материала мешать потоку электронов. Материал как бы сопротивляется, препятствует этому потоку, как паруса фрегата сильному ветру!
В мире практически всё имеет свойство сопротивляться: воздух сопротивляется потоку электронов, вода тоже сопротивляется потоку электронов, но они всё равно проскальзывают. Медные провода тоже сопротивляются потоку электронов, но лениво. Так что они очень хорошо пропускают такой поток.
Не имеют сопротивления только сверхпроводники, но это уже другая история, так как раз у них нет сопротивления, то сегодня они нам не интересны.
Кстати, поток электронов -- это и есть электрический ток. Формальное определение более педантичное, так что ищи его сам в такой же сухой книге.
И да, электроны между собой взаимодействуют. Сила такого взаимодействия измеряется в Вольтах и называется напряжением. Скажешь, что странно звучит? Да ничего странного. Электроны напрягаются и двигают другие электроны с усилием. Несколько по-деревенски, зато понятен основной принцип.
Осталось упомянуть про мощность. Мощность - это когда ток, напряжение и сопротивление собираются за одним столом и начинают работать. Тогда и появляется мощность -- энергия, которую теряют электроны, проходя через сопротивление. Кстати:
I = U/R P = U * I
Есть у тебя, к примеру, лампочка на 60Вт с проводом. Втыкаешь её в розетку на 220В. Что дальше? Лампочка оказывает потоку электронов с потенциалом в 220В некоторое сопротивление. Если сопротивление слишком мало -- бум, сгорела. Если слишком большое -- нить накала будет светиться очень слабо, если вообще будет. А вот если оно будет "в самый раз", тогда лампочка скушает 60Вт и превратит эту энергию в свет и тепло.
Тепло при этом побочный эффект и называется "потерей" энергии, так как вместо того, что бы светить ярче лампочка тратит энергию на нагрев. Пользуйтесь энергосберегающими лампами! Кстати, провод тоже обладает сопротивлением и если поток электронов будет слишком большим, то он также нагреется до заметной температуры. Тут можно предложить почитать заметку про то, зачем спользуются высоковольтные линии
Уверен, теперь ты понимаешь о сопротивлении больше. При этом мы не свалились в детали подобные удельному сопротивлению материала и формулы типа
где ρ — удельное сопротивление вещества проводника, Ом·м, l — длина проводника, м, а S — площадь сечения, м².
Немного анимашек для полноты картины
И наглядно о том, как поток электронов меняется от в зависимости от температуры проводника и его толщины
 |
 |
 |
Сопротивление проводника – способность материала препятствовать протеканию электрического тока. Включая случай скин-эффекта переменных высокочастотных напряжений.
Физические определения
Материалы делятся классами согласно удельному сопротивлению. Рассматриваемая величина – сопротивление – считается ключевой, позволит выполнить градацию всех веществ, встречающихся в природе:
- Проводники – материалы с удельным сопротивлением до 10 мкОм м. Касается большинства металлов, графита.
- Диэлектрики – удельное сопротивление 100 МОм м — 10 ПОм м. Приставка Пета используется в контексте пятнадцатой степени десятки.
- Полупроводники – группа электротехнических материалов с удельным сопротивлением в диапазоне от проводников до диэлектриков.
Удельным сопротивление называется, позволяя охарактеризовать параметры отреза провода длиной 1 метр, площадью 1 квадратный метр. Чаще цифрами пользоваться неудобно. Сечение реального кабеля намного меньше. К примеру, для ПВ-3 площадь составляет десятки миллиметров. Расчет упрощается, если пользоваться единицами Ом кв.мм/м (см. рис.).
Удельное сопротивление металлов
Удельное сопротивление обозначается греческой буквой «ро», для получения показателя сопротивления величину домножим на длину, разделив на площадь образца. Перевод меж стандартными единицами измерения Ом м чаще используемыми для расчета показывает: взаимосвязь устанавливается через шестую степень десятки. Иногда удастся найти среди табличных значениях сведения, касающиеся удельного сопротивления меди:
- 168 мкОм м;
- 0,00175 Ом кв. мм / м.
Легко убедиться, цифры расходятся примерно на 4%, убедитесь, выполнив приведение единиц. Значит, цифры приводятся сортамента меди. При необходимости точных вычислений вопрос уточняется дополнительно, отдельно. Сведения об удельном сопротивлении образца получают чисто опытным путем. Отрез провода с известными сечением, длиной подсоединяется к контактам мультиметра. Для получения ответа требуется показания разделить на протяженность образца, домножить площадью сечения. В тестах полагается выбирать образец подлиннее, сократив до минимума погрешность. Значительная часть тестеров наделена недостаточной точностью для получения годных значений.
Итак, боящимся физиков, отчаявшимся освоить китайские мультиметры работать с удельным сопротивлением неудобно. Гораздо проще взять готовый отрез (большей длины), оценить параметр полного куска. На практике доли Ома играют малую роль, указанные действия выполняются для оценки потерь. Напрямую определены активным сопротивлением участка цепи и квадратично зависят от тока. Учитывая сказанное, отметим: проводники в электротехнике принято делить на две категории по применяемости:
- Материалы высокой проводимости, высокого сопротивления. Первые применяются для создания кабелей, вторые – сопротивлений (резисторов). В таблицах не бывает четкого разграничения, учитывается практичность. Серебро с низким сопротивлением для создания проводов не применяют вовсе, для контактов приборов – редко. По очевидным причинам.
- Сплавы с высокой упругостью применяются для создания гибких токонесущих частей: пружин, рабочих частей контакторов. Сопротивление обычно должно быть минимальным. Понятно, для этих целей в корне непригодна обычная медь, которой присуща большая степень пластичности.
- Сплавы с высоким или низким температурным коэффициентом расширения. Первые служат основой создания биметаллических пластин, структурно служащих основой . Вторые образуют группу инварных сплавов. Часто требуются, где важна геометрическая форма. У держателей нити (замена дорогостоящему вольфраму) и вакуумплотных спаев на стыке со стеклом. Но еще чаще инварные сплавы никакого отношения к электричеству не имеют, используются в составе станков, приборов.
Формула связи удельного сопротивления с омическим
Физические основы электропроводности
Сопротивление проводника признано величиной, обратной электропроводности. В современной теории не установлено досконально, как происходит процесс образования тока. Физики часто упирались в стену, наблюдая явление, которое никак не могло быть объяснено с точки позиций ранее выдвигавшихся концепций. Сегодня доминирующей считается зонная теория. Требуется привести краткий экскурс развития представлений о строении вещества.
Изначально предполагалось: вещество представлено субстанцией, заряженной положительно, в ней плавают электроны. Так считал небезызвестный лорд Кельвин (урожденный Томсон), в честь которого названа единица измерения абсолютной температуры. Впервые сделал предположение о планетарной структуре атомов Резерфорд. Теория, выдвинутая в 1911 году, была сооружена на факте отклонения альфа-излучения веществами с большой дисперсией (отдельные частицы изменяли угол полета на весьма значительную величину). На основе существующих предпосылок автор заключил: положительный заряд атома сосредоточен внутри малой области пространства, которую назвали ядром. Факт отдельных случаев сильного отклонения угла полета вызван тем, что путь частицы пролегал в непосредственной близости от ядра.
Так установлены пределы геометрических размеров отдельных элементов и для разных веществ. Заключили, что диаметр ядра золота укладывается областью 3 пм (пико – приставка к отрицательной двенадцатой степени десятки). Дальнейшее развитие теории строения веществ выполнил Бор в 1913 году. На основе наблюдения поведения ионов водорода сделал вывод: заряд атома составляет единицу, была определена масса, составившая примерно одну шестнадцатую веса кислорода. Бор предположил: электрон удерживается силами притяжения, определенными Кулоном. Следовательно, что-то удерживает от падения на ядро. Бор предположил, виновата центробежная сила, возникающая при вращении частицы по орбите.
Важную поправку к макету внес Зоммерфельд. Допустил эллиптичность орбит, ввел два квантовых числа, описывающих траекторию – n и k. Бор заметил: теория Максвелла для модели терпит крах. Движущаяся частица обязана порождать в пространстве магнитное поле, тогда постепенно электрон упал бы на ядро. Следовательно, приходится допустить: существуют орбиты, на которых излучения энергии в пространство не происходит. Легко заметить: предположения противоречат друг другу, лишний раз напоминая: сопротивление проводника, как физическую величину, сегодня неспособны объяснить физики.
Почему? Зонная теория выбрала базисом постулаты Бора, гласящие: положения орбит дискретны, вычисляются заранее, геометрические параметры связаны некоторыми соотношениями. Выводы ученого пришлось дополнить волновой механикой, поскольку сделанные математические модели бессильны оказались объяснить некоторые явления. Современная теория говорит: для каждого вещества предусмотрено в состоянии электронов три зоны:
- Валентная зона электронов, прочно связанных с атомами. Требуется большая энергия — разорвать связь. Электроны валентной зоны в проводимости не участвуют.
- Зона проводимости, электроны при возникновении в веществе напряженности поля образуют электрический ток (упорядоченное движение носителей заряда).
- Запрещенная зона – область энергетических состояний, где электроны в нормальных условиях находиться не могут.
Необъяснимый опыт Юнга
Согласно зонной теории, у проводника зона проводимости перекрывается валентной. Образуется электронное облако, легко увлекаемое напряженностью электрического поля, образуя ток. По этой причине сопротивление проводника имеет столь малое значение. Причем ученые прилагают бесполезные усилия объяснить, что представляет собой электрон. Известно только: элементарная частица проявляет волновые и корпускулярные свойства. Принцип неопределенности Гейзенберга ставит факты на места: нельзя с вероятностью 100% одновременно определить местоположение электрона и энергию.
Что касается эмпирической части, учеными подмечено: опыт Юнга, проделанный с электронами, дает любопытный результат. Ученый пропускал поток фотонов через две близкие щели щита, получалась интерференционная картина, составленная рядом полос. Предложили проделать тест с электронами, случился коллапс:
- Если электроны проходят пучком, минуя две щели, образуется интерференционная картина. Происходит, будто движутся фотоны.
- Если электроны выстреливать по одному, ничего не меняется. Следовательно… одна частица отражается сама от себя, существует сразу в нескольких местах?
- Тогда стали пытаться зафиксировать момент прохождения электроном плоскости щита. И… интерференционная картина пропала. Остались два пятна напротив щелей.
Эффект бессильны объяснить с научной точки зрения. Получается, электроны «догадываются» о проводимом наблюдении, перестают проявлять волновые свойства. Показывает ограниченность современных представлений физики. Хорошо, если бы этим можно было удовольствоваться! Очередной муж науки предложил вести наблюдение за частицами, когда они уже прошли сквозь щель (летели в определенном направлении). И что же? Снова электроны перестали проявлять волновые свойства.
Получается, элементарные частицы вернулись обратно во времени. В тот момент, когда проходили щель. Проникли в тайну будущего, узнав, будет ли вестись наблюдение. В зависимости от факта скорректировали поведение. Понятно, ответ не может быть попаданием в яблочко. Загадка ждет разрешения по сей день. Кстати, теория Эйнштейна, выдвинутая в начале XX века, теперь опровергнута: найдены частицы, скорость которых превышает световую.
Как образуется сопротивление проводников
Современные воззрения говорят: свободные электроны перемещаются по проводнику со скоростью порядка 100 км/с. Под действием возникающего внутри поля дрейф упорядочивается. Скорость перемещения носителей вдоль линий напряженности мала, составляет единицы сантиметров в минуту. В ходе движения электроны сталкиваются с атомами кристаллической решетки, некая доля энергии переходит в тепло. И меру этого преобразования принято называть сопротивлением проводника. Чем выше, тем больше электрической энергии переходит в тепло. На этом основан принцип действия обогревателей.
Параллельно контексту идет численное выражение проводимости материала, которое можно увидеть на рисунке. Для получения сопротивления полагается единицу разделить на указанное число. Ход дальнейших преобразований рассмотрен выше. Видно, что сопротивление зависит от параметров — температурное движение электронов и длина их свободного пробега, что прямо приводит к строению кристаллической решётки вещества. Объяснение — сопротивление проводников отличается. У меди меньше алюминия.
Загрузка...