Металевий провідник - це матеріали, які мають здатність проводити електричний струм. Вони є основою багатьох пристроїв, від простих електричних проводів до складних електронних пристроїв. Але як електрони в цих провідниках рухаються без впливу зовнішнього електричного поля? Відповідь на це питання лежить в особливостях будови Металевих матеріалів.
У металевих провідниках електрони знаходяться в постійному русі. Ви можете порівняти це з рухом бджіл у вулик: вони безперервно рухаються, перебираючись з однієї комірки в іншу. Також і електрони в металевих провідниках переміщаються між атомами металу.
Фізична властивість, відповідальна за рух електронів у металевих провідниках, називається провідністю. Як тільки до металу прикладено електричне поле, електрони починають рухатися в напрямку негативного електрода до позитивного. Цей процес називається електричним струмом.
Вплив електричного поля на рух електронів у металевому провіднику
Електричне поле відіграє важливу роль у русі електронів у металевому провіднику. Під впливом електричного поля, електрони починають рухатися в певному напрямку. Напрямок руху визначається знаком заряду електрона і напрямком поля.
Зовнішнє електричне поле чинить силу на електрони в провіднику. У металевому провіднику електрони вільно рухаються між атомами решітки, створюючи електричний струм. Під впливом сили, викликаної електричним полем, електрони будуть рухатися в напрямку негативно зарядженого полюса до позитивно зарядженого полюса.
Рівень енергії електронів в провіднику також може змінюватися під впливом електричного поля. Зовнішнє поле може створити потенційну різницю енергії між двома кінцями провідника, що призводить до переміщення електронів. Енергія електронів буде збільшуватися при русі в напрямку позитивного поля і зменшуватися при русі в напрямку негативного поля.
Використання електричного поля дозволяє контролювати рух електронів у металевому провіднику. Це основа роботи різних пристроїв і систем, таких як електричні ланцюги, транзистори та ін.
Природний рух електронів у металевому провіднику
Електрони в металевому провіднику, без зовнішнього електричного поля, рухаються в результаті теплового руху. Тепловий рух викликає хаотичне переміщення електронів у провіднику.
Електрони в металі мають електричний заряд і невелику масу. В результаті їх хаотичного переміщення, вони стикаються один з одним і зі структурою металу. Ці зіткнення викликають зміну напрямку руху електронів.
Подібне хаотичний рух електронів створює електричну силу, звану термоЕРС-ефектом. ТермоЕРС-ефект проявляється у вигляді різниці потенціалів між різними ділянками провідника. При наявності замкнутої електричного кола електрони починають рухатися в напрямку більш позитивного потенціалу. Це явище називається термоелектронної емісією.
Природний рух електронів у металевому провіднику є основою для розуміння роботи електричних пристроїв та електричної провідності в металах.
Електричне поле як фактор, що впливає на рух електронів
Електричне поле відіграє важливу роль у русі електронів у металевому провіднику. Воно створюється електричними зарядами, наприклад, при підключенні провідника до джерела постійної напруги. Під дією цього поля електрони починають рухатися в певному напрямку.
Електричне поле впливає на рух електронів двома основними способами: силою, що діє на заряд, і напрямком, що вказує напрямок руху. Сила, обумовлена електричним полем, пропорційна заряду електрона і інтенсивності поля.
Коли електрон потрапляє в електричне поле, воно чинить на нього силу. В результаті цієї сили електрон починає рухатися в напрямку, вказаному полем. Якщо в системі немає інших сил, що перешкоджають руху, електрон буде безперервно рухатися в цьому напрямку.
Одним із прикладів застосування електричного поля в металевих провідниках є створення електричного струму. При підключенні батареї або джерела постійного струму до провідника, на його кінцях утворюються електричні заряди з різними знаками. Це створює електричне поле, яке діє на електрони провідника і змушує їх рухатися вздовж дроту.
Електричне поле також впливає на швидкість руху електронів. Чим сильніше поле, тим сильніше сила, що діє на електрони, і швидше вони рухаються. Процес руху електронів в електричному полі можна описати за допомогою законів електродинаміки і рівнянь Максвелла.
Негативно заряджені електрони і напрямок руху
У стані термодинамічної рівноваги кількість електронів, що рухаються в одному напрямку, дорівнює кількості електронів, що рухаються в протилежному напрямку. Таким чином, чисто випадковий рух електронів не створює електричного струму в металевому провіднику без зовнішнього впливу.
Однак, якщо на провідник подається електричне поле, то під дією цього поля, електрони починають рухатися в певному напрямку. Позитивний полюс електричного джерела притягує негативно заряджені електрони, і вони починають рухатися в напрямку позитивного полюса.
| Напрямок руху електронів: | Неґативний полюс(–) | Позитивний полюс(+) |
| Розподіл зарядів: | Більше електронів | Менше електронів |
В результаті, в провіднику виникає електричний струм - це впорядкований рух електронів в одному напрямку. При цьому, кожен електрон переміщається, передаючи свою енергію і імпульс наступного електрону в ланцюзі. Таким чином, електрони послідовно рухаються по провіднику, забезпечуючи передачу електричної енергії.
Виникнення дрейфового струму при наявності електричного поля
У металевому провіднику, коли на нього подається електричне поле, відбувається взаємодія між електричним полем і вільними електронами в провіднику. Ця взаємодія призводить до виникнення дрейфового струму.
Дрейфовий струм обумовлений рухом вільних електронів в провіднику під впливом електричного поля. Під дією поля електрони направляються до позитивного заряду, що рухається в зворотному напрямку. Це створює потік електронів через провідник і призводить до виникнення струму.
Якщо в провіднику є вільне електричне поле, рух електронів в ньому буде відбуватися в напрямку з позитивного до негативного потенціалу. Це означає, що електрони будуть рухатися в протилежному напрямку до електричного поля.
Важливо відзначити, що дрейфовий струм є основним компонентом струму в провіднику при наявності електричного поля. Його величина пропорційна інтенсивності поля і концентрації вільних електронів в провіднику. Також вплив на величину дрейфового струму надають довжина і площа поперечного перерізу провідника.
Гальванометр: приклад застосування електричного поля для вимірювання руху електронів
При наявності струму в Провіднику в магнітному полі виникає сила Лоренца, яка спрямована перпендикулярно до напрямку струму і магнітних ліній. Ця сила викликає відхилення котушки з провідником, яка підвішена на тонкому штифті або нитки.
Гальванометр використовується для вимірювання малих струмів. При підведенні струму до гальванометра, відхилення котушки з провідником пропорційно струму. Чим більше струм, тим сильніше відхилення. За допомогою шкали і стрілки можна вважати величину струму.
Гальванометр широко застосовується в наукових дослідженнях, в інженерії та в медицині для вимірювання електричних струмів і сили електричного поля. Він також використовується в деяких вимірювальних приладах, таких як амперметри, вольтметри та омметри, для вимірювання електричних величин.