SJEC Lectures: Engineering Physics - Electrical Conductivity in Metal 1

Summary

В этом видео лекции рассматривается электрическая проводимость металлов с акцентом на классическую теорию свободных электронов, также известную как теорию Дрюде-Лоренца. Объясняется, как свободные электроны в металлах движутся в ответ на внешнее электрическое поле, создавая электрический ток. В видео приводится пример меди, в которой один валентный электрон отвечает за проводимость. Также раскрыты основные факторы, влияющие на дрейф электронов, такие как сила электрического поля и время релаксации. Теория объясняет основные принципы проводимости, но имеет ограничения, которые будут рассмотрены в следующих уроках.

Takeaways

• 😀 Электрическая проводимость материалов делится на три категории: проводники, изоляторы и полупроводники.
• 😀 Проводники, такие как медь, серебро и золото, позволяют зарядам проходить через них.
• 😀 Изоляторы, например дерево, пластик и бумага, не пропускают заряды.
• 😀 Полупроводники проводят ток в зависимости от температуры.
• 😀 Теория свободных электронов (Дрюда) объясняет проводимость в металлах через движение свободных электронов.
• 😀 В металле каждый атом имеет один свободный (валентный) электрон, который отвечает за проводимость.
• 😀 В теории Дрюда проводимость зависит от того, как свободные электроны перемещаются от атома к атому.
• 😀 Когда к проводнику прикладывается внешнее электрическое поле, электроны начинают двигаться в противоположную сторону поля.
• 😀 Скорость дрейфа электронов пропорциональна величине приложенного электрического поля и времени релаксации.
• 😀 Проводимость материала зависит от числа электронов на единицу объема, площади поперечного сечения проводника и времени релаксации.
• 😀 Теория Дрюда не объясняет некоторые явления, связанные с проводимостью, и имеет ограничения, которые будут рассмотрены в следующих лекциях.

Q & A

Что такое проводимость в металлах?

Проводимость в металлах — это способность материала проводить электрический ток, что зависит от наличия свободных электронов, которые могут перемещаться от одного атома к другому.

Какие категории материалов существуют в контексте проводимости?

Материалы можно разделить на три категории: проводники (например, медь, серебро), изоляторы (например, дерево, пластик) и полупроводники, которые проводят ток в зависимости от температуры.

Что объясняет классическая теория свободных электронов?

Классическая теория свободных электронов объясняет проводимость в металлах, предполагая, что свободные электроны могут двигаться от одного атома к другому, создавая электрический ток.

Что такое валентный электрон в контексте меди?

Валентный электрон — это свободный электрон, который находится в наружной оболочке атома меди и участвует в проводимости. В меди это один электрон.

Какая роль свободных электронов в проводимости металлов?

Свободные электроны отвечают за проводимость металлов, поскольку они могут перемещаться от одного атома к другому при наличии внешнего электрического поля.

Как теория Друде объясняет проводимость?

Теория Друде объясняет проводимость тем, что при взаимодействии атомов в металле их энергетические уровни перекрываются, что позволяет свободным электронам перемещаться и создавать электрический ток.

Почему в отсутствие внешнего электрического поля в проводнике нет тока?

В отсутствие внешнего электрического поля электроны движутся случайным образом, и их движения компенсируются, в результате чего нет чистого тока.

Как электрическое поле влияет на движение электронов в проводнике?

Когда на проводник воздействует электрическое поле, оно создает разницу потенциалов, что заставляет электроны двигаться в направлении, противоположном направлению поля, создавая электрический ток.

Что такое скорость дрейфа электронов?

Скорость дрейфа электронов — это средняя скорость, с которой свободные электроны движутся в проводнике под воздействием электрического поля.

Какие факторы влияют на проводимость металлов согласно теории Друде?

Проводимость металлов в теории Друде зависит от числа свободных электронов, их скорости дрейфа, времени расслабления (время между столкновениями) и массы электронов.