Закон Ома в дифференциальной форме

Подставив выражение для сопротивления R=pl/S в закон Ома I=U/R, получим

I/S=U/pl,  где величина, обратная удельному сопротивлению,  называется удельной электрической проводимостью вещества проводника. Ее едини­ца — сименс на метр (См/м).

Учитывая, что U/l=E – напряженность электрического поля в проводнике, I/S=j – плотность тока, формулу I/S=U/pl можно записать в виде j= E

j= E – это выражение – закон Ома в дифференциальной форме. Плотность тока в любой точке пространства пропорциональна напряженности поля в этой точке. (если поля не слишком большие).

J=

Закон Ома в интегральной форме

Умножим скалярно на dl:

             ;                   

-закон Ома для неоднородного участка

Для однородного =0 =>                                   Для замкнутой( =0):

 

 

Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме

Рассмотрим однородный проводник, к концам которого приложено напряжение U. За время dt через сечение проводника переносится заряд dq = Idt. Так как ток представляет

собой перемещение заряда d q под действием электрического поля, то работа тока dA=Udq=IUdt

Если сопротивление проводника R, то, используя закон Ома, получим dA=

Если ток проходит по неподвижному металлическому проводнику, то вся работа тока идет на его нагревание и, по закону сохранения энергии dq=dA. Таким образом dq=IUdt=

Это выражение представляет собой закон Джоуля-Ленца.

Выделим в проводнике элементарный цилиндрический объем dV=dSdl(ось цилиндра совпадает с направлением тока), сопротивление которого . По закону Джоуля-Ленца, за время dt в этом объеме выделится теплота

Количество теплоты, выделяющееся за единицу времени в единице объема, называется удельной тепловой мощностью тока. Она равна:

Используя дифференциальную форму закона Ома и соотношение p=1/y, получим

Формулы и называют законом Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

Билет №17

Классическая электронная теория электропроводности металлов и ее опытные обоснования. Вывод законов Ома и Джоуля-Ленца из электронных представлений. Закон Видемана-Франца. Затруднения классической теории электропроводности металлов.

1) Носителями тока в металлах являются свободные электроны (Первый из таких опытов, подтверждающих то, что электрон – носитель заряда—опыт Рикке, в котором в течение года электрический ток пропускался через три последовательно соединенных с тщательно отшлифованными торцами металлических цилиндра (Сu, Аl, Сu) одинакового радиуса. Несмотря на то что общий заряд, прошедший через эти цилиндры, достигал огромного значения (3,5-10+6 Кл), никаких, даже микроскопических, следов переноса не обнаружилось. Это явилось экспериментальным доказательством того, что ионы в металлах не участвуют в переносе электричества, а перенос заряда в металле осуществляется частицами, которые являются общими для всех металлов.)

2) Свободные электроны ведут себя как идеальный электронный газ. (По теории Друде — Лоренца, электроны обладают такой же энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного газа. Поэтому, применяя выводы молекулярно-кинетической теории, можно найти среднюю скорость

теплового движения электронов , которая для T=300K равна 1.1*10+5 м/с. Это скорость теплового движения электронов, которое является хаотическим, не может привести к возникновению тока.

 

3) При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, т. е. возникает электрический ток. Среднюю скорость <V> упорядоченного движения электронов можно оценить согласно формуле для плотности тока: j= ne<V>.

<V><<<U>, т.е. даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов, обусловливающего электрический ток, значительно меньше их скорости теплового движения. Поэтому при вычислениях результирующую скорость (<V>+<U>) можно заменять скоростью теплового движения <U>.

Закон Ома.

Пусть в металлическом проводнике существует электрическое поле. Напряженностью E= const. Co стороны поля заряд е испытывает действие силы F = eE

и приобретает ускорение a=F/m=eE/m. Таким образом, во время свободного пробега электроны движутся равноускоренно, приобретая к концу свободного пробега скорость

где <t> — среднее время между двумя последовательными соударениями с ионами решетки.

Согласно теории Друде, в конце свободного пробега электрон, сталкиваясь с ионами решетки, отдает им накопленную в поле энергию, поэтому скорость его упорядоченного движения становится равной нулю. Следовательно, средняя скорость направленного движения электрона

Классическая теория металлов не учитывает распределения электронов по скоростям, поэтому среднее время <t> свободного пробега определяется средней длиной свободного пробега <l> и средней скоростью движения электронов относительно кристаллической решетки проводника, равной <U>+<V> (<U>— средняя скорость теп­лового движения электронов). <V><<<U>, поэтому <t>=<l>/<U>

<V>=eE<l>/(2m<U>)

Плотность тока в металлическом проводнике,

откуда видно, что плотность тока пропорциональна напряженности поля,

т. е. получи ли закон Ома в дифференциальной форме.

 

Закон Джоуля-Ленца

К концу свободного пробега электрон под действием поля приобретает дополнительную кинетическую энергию.

При соударении электрона с ионом эта энергия полностью передается решетке и идет на увеличение внутренней энергии металла, т. е. на его нагревание.

За единицу времени электрон испытывает с узлами решетки в среднем <z> столкновений: <z>=<U>/<l>

Если п — концентрация электронов, то в единицу времени происходит n < z > столкнове­ний и решетке передается энергия w=n<z><E>, которая идет на нагревание проводника. Таким образом энергию, передаваемую решетке в единице объема проводника за единицу времени

Величина w является удельной тепловой мощностью тока. Коэффициент

пропорциональности между w в  по есть удельная проводимость у; следовате­льно, выражение  — закон Джоуля — Ленца в дифференциальной форме.

Закон Видемана-Франца

Видеманом и Францем экспериментально установлен закон, согласно
которому отношение теплопроводности () к удельной проводимости (у) для всех металлов при одной и той же температуре одинаково и увеличивается пропорционально термодинамической температуре.

, где -постоянная, зависящая от рода металла.

Элементарная классическая теория электропроводности металлов позволила найти значение , где k - постоянная Больцмана. Это значение хорошо согласуется с опытными данными. Однако, как оказалось впоследствии, это согласие теоретического значения с опытным случайно; Лоренц, применив к электронному газу статистику Максвелла — Больцмана, учтя тем самым распределение электронов скоростям, получил, что привело к резкому расхождению теории c опытом. Таким образом, классическая теория электропроводности металлов объяснила законы Ома и Джоуля — Ленца, а также дала качественное объяснение закона Видемана — Франца. Однако она помимо рассмотренных противоречий в законе Видемана- Франца столкнулась еще с рядом трудностей при объяснении различных опытных данных.

Рассмотрим некоторые из них.

Температурим зависимость сопротивления. Из формулы удельной проводимости следует, что сопротивление металлов, т. е. величина, обратно пропорциональная у, должна возрастать пропорционально  Этот вывод электронной теории противоречит опытным данным ,
согласно которым R~ T.

Оценка средней длины свободного пробега электронов в металле. Чтобы получить у, совпадающие с опытными значениями, надо принимать </> значительно больше истинных, другими словами, предполагать, что электрон проходит без соударений с ионами решетки сотни междоузельных расстояний, что не согласуется с теорией Друде — Лоренца.

Теплоемкость металло в. Теплоемкость металла складывается из теплоемкости его кристаллической решетки и теплоемкости электронного газа. Поэтому атомная (т. е. на 1 моль) теплоемкость металла должна быть значительно большей. Наличие электронов проводимости не сказывается на значении теплоемкости, что не объясняется классической электронной теорией.

Указанные расхождения теории с опытом можно объяснить тем, что движение в металлах подчиняется не законам классической механики, а законам квантовой механики и, следовательно, поведение электронов проводимости надо описывать не статистикой Максвелла-Больцмана, а квантовой статистикой.

Недостатки классической электронной теории

1) Учет распределения скоростей электронов (по Максвелу) приводит к худшему согласованию с экспериментальными результатами.

2) Температурная зависимость электропроводности металлов не совпадает с экспериментальной

Теория:

Эксперимент:

3) Чтобы получить численное совпадение для в теории с экспериментом, надо считать, что составляет примерно 100 межатомных расстояний.

4) Вопрос о теплоемкости

Согласно МКТ: C=6/2R+3/2R у металлов больше

C=6/2R у неметаллов (т.к. нет электрического газа)    

Малярная теплоемкость всех твердых тел одинакова n=6/2R

Вывод: Классическая теория электропроводности многого не учитывает

 

Тема №18