Sfera-perm.ru

Сфера Пермь
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Почему металлы хорошо проводят электрический ток тепло

Почему металлы хорошо проводят электрический ток тепло

Народна Освіта » Фізика » § 23. Электрический ток. Электрическая проводимость материалов

§ 23. Электрический ток. Электрическая проводимость материалов

Наверное, многие школьники на вопрос «Что бы вы взяли с собой на необитаемый остров?» сразу ответят: «Мобильный телефон и компьютер», — но через некоторое время, конечно, сообразят: «Ой, там же нет электричества. »

Трудно представить, но еще сто лет назад большая часть нашей страны была похожа на такой остров: электричеством могли пользоваться немногие. Сегодня же каждый назовет не менее десяти электрических бытовых устройств, без которых нам уже сложно представить свою жизнь: стиральная машина, лампа, телевизор и т. д. Эти устройства называются электрическими, потому что их работа основана на действии электрического тока. А что такое электрический ток?

Даём определение электрического тока

Проведем опыт. Поставим на стол два электрометра (А и Б) и зарядим один из них, например электрометр А (рис. 23.1, а). Соединим кондукторы электрометров металлическим стержнем, закрепленным на пластмассовой ручке. По отклонению стрелок электрометров видим, что заряд электрометра А уменьшился, а незаряженный электрометр Б получил заряд (рис. 23.1, б). Это значит, что некоторое количество заряженных частиц (в данном случае электронов) перешло по стержню от одного прибора к другому. Физики говорят, что по стержню прошел электрический ток.

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.

Выясняем условия возникновения и существования электрического тока

Учитывая определение электрического тока, сформулируем первое условие его возникновения и существования в любой среде: в среде должны быть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться по всей среде. Такие частицы называют носителями тока.

Однако этого условия недостаточно для того, чтобы в среде существовал электрический ток. Для создания и поддержания направленного движения свободных заряженных частиц необходимо наличие электрического поля. Именно благодаря действию электрического поля движение заряженных частиц приобретает упорядоченный (направленный) характер, что и означает появление в данной среде электрического тока.

Учимся различать проводники, диэлектрики и полупроводники

Зная условия возникновения и существования электрического тока, нетрудно догадаться, что электрическая проводимость — способность проводить электрический ток — у разных веществ разная. В зависимости от этой способности все вещества и материалы делят на проводники, диэлектрики и полупроводники (о проводниках и диэлектриках уже шла речь в § 21).

Проводники — вещества и материалы, которые хорошо проводят электрический ток.

Проводниками являются металлы (как в твердом, так и в жидком состояниях), графит, водные растворы солей (например, поваренной соли), кислот и щелочей. Высокая электрическая проводимость проводников объясняется наличием в них большого количества свободных заряженных частиц. Так, в металлическом проводнике часть электронов, покинув атомы, свободно «путешествует» по всему объему проводника, и количество таких электронов достигает 10 23 в кубическом сантиметре.

Влажная земля, тело человека или животного хорошо проводят электрический ток, так как содержат вещества, являющиеся проводниками.

Диэлектрики — вещества и материалы, которые плохо проводят электрический ток.

Диэлектриками являются многие твердые вещества (эбонит, фарфор, резина, стекло и др.), жидкости (дистиллированная вода, керосин, спирт, бензин и др.) и газы (кислород, водород, азот, углекислый газ и др.). В диэлектриках почти отсутствуют свободные заряженные частицы.

Проводники и диэлектрики широко используют в промышленности, быту, технике. Так, провода, по которым подводят ток от электростанций к потребителям, изготовляют из металлов — хороших проводников. При этом на опорах провода размещают на изоляторах, — это предотвращает стекание электрического заряда в землю (рис. 23.2). Как вы думаете, почему провода, которые прокладывают в земле, покрывают слоем диэлектрика?

Существует много веществ (например, германий, силиций, арсен), которые называют полупроводниками. Обычно такие вещества плохо проводят ток и их можно отнести к диэлектрикам. Но если повысить температуру или увеличить освещенность, в полупроводниках появляется достаточное количество свободных заряженных частиц и полупроводники становятся проводниками. Полупроводники используются при изготовлении радиоэлектронной аппаратуры, солнечных батарей (рис. 23.3) и т. д.

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.

Для возникновения и существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и электрического поля, благодаря действию которого создается и поддерживается направленное движение этих частиц.

Читайте так же:
Автоматический выключатель siemens с тепловым расцепителем

В зависимости от электрической проводимости все вещества условно делят на проводники (вещества, которые хорошо проводят электрический ток), диэлектрики (вещества, которые плохо проводят электрический ток) и полупроводники.

1. Что такое электрический ток? 2. Сформулируйте условия возникновения и существования электрического тока. 3. Какие вещества относят к проводникам, диэлектрикам, полупроводникам? Приведите примеры. 4. Почему металлы хорошо проводят электрический ток? 5. Приведите примеры использования проводников и диэлектриков.

1. Запишите названия нескольких предметов, изготовленных из материалов, являющихся: а) проводниками; б) диэлектриками.

2. Каким требованиям должен соответствовать материал для изготовления корпусов розеток и выключателей?

3. Почему трудно, а иногда практически невозможно зарядить электроскоп в помещении с высокой влажностью воздуха?

4. Почему в опыте, описанном в пункте 1 § 23, кондукторы электрометров соединяли металлическим стержнем (см. рис. 23.1)? Для чего стержень был закреплен на пластмассовой ручке? Как изменятся результаты опыта, если вместо металлического стержня воспользоваться пластмассовым?

5. Движутся ли свободные заряженные частицы в проводнике, когда в нем нет тока? Поясните свой ответ.

6. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и выясните, какие вещества являются лучшими диэлектриками и где их применяют.

7. К двум соединенным металлическим пластинам А и Бподнесли наэлектризованную о шерсть эбонитовую палочку (см. рисунок).

1) Какой заряд приобретет пластина А? пластина Б?

2) Останутся ли пластины заряженными, если:

а) разъединить пластины, не убирая палочки?

б) убрать палочку, а потом разъединить пластины?

Теплопроводность

Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить энергию от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела (атомов, молекул, электронов и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Различают стационарный и нестационарный процессы теплопроводности в твердом теле. Стационарный процесс характеризуется неизменными во времени параметрами процесса. Такой процесс устанавливается при длительном поддержании температур теплообменивающихся сред на одном и том же уровне. Нестационарный процесс представляет собой неустановившийся тепловой процесс в телах и средах, характеризуемый изменением температуры в пространстве и во времени.

Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.

Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием гипотетического теплорода от одного тела к другому. Однако с развитием молекулярно-кинетической теории явление теплопроводности получило своё объяснение на основе взаимодействия частиц вещества. Молекулы в более нагретых частях тела движутся быстрее и передают энергию посредством столкновений медленным частицам в более холодных частях тела.

Содержание

  • 1 Закон теплопроводности Фурье
    • 1.1 Связь с электропроводностью
    • 1.2 Коэффициент теплопроводности газов
    • 1.3 Теплопроводность в сильно разреженных газах
  • 2 Обобщения закона Фурье
  • 3 Коэффициенты теплопроводности различных веществ
  • 4 Примечания
  • 5 См. также
  • 6 Ссылки

Закон теплопроводности Фурье [ править | править код ]

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

q → = − ϰ g r a d ⁡ T >=-varkappa mathop > T>

где q → >> — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, ϰ коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), T — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad ⁡ T > T> (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье. [1]

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

P = − ϰ S Δ T l , >,> P = − Вт м ⋅ К ⋅ м 2 ⋅ К м = Вт > over <>cdot >>>cdot <<>^<2>cdot >> over >>=>>

Читайте так же:
Схемы постоянного тока тепловоза

где P — полная мощность тепловой передачи, S — площадь сечения параллелепипеда, Δ T — перепад температур граней, l — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Связь с электропроводностью [ править | править код ]

Связь коэффициента теплопроводности ϰ с удельной электрической проводимостью σ в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

ϰ σ = π 2 3 ( k e ) 2 T , >=><3>>left(>right)^<2>T,> где k — постоянная Больцмана, e — заряд электрона, T — абсолютная температура.

Коэффициент теплопроводности газов [ править | править код ]

В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле [2]

ϰ ∼ 1 3 ρ c v λ v ¯ , <3>>rho c_lambda >,>

где ρ — плотность газа, c v > — удельная теплоёмкость при постоянном объёме, λ — средняя длина свободного пробега молекул газа, v ¯ >> — средняя тепловая скорость. Эта же формула может быть записана как [3]

ϰ = i k 3 π 3 / 2 d 2 R T μ , <3pi ^<3/2>d^<2>>>>>,>

где i — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i = 5 , для одноатомного i = 3 ), k — постоянная Больцмана, μ — молярная масса, T — абсолютная температура, d — эффективный (газокинетический) диаметр молекул, R — универсальная газовая постоянная. Из формулы видно, что наименьшей теплопроводностью обладают тяжелые одноатомные (инертные) газы, наибольшей — легкие многоатомные (что подтверждается практикой, максимальная теплопроводность из всех газов — у водорода, минимальная — у радона, из нерадиоактивных газов — у ксенона).

Теплопроводность в сильно разреженных газах [ править | править код ]

Приведённое выше выражение для коэффициента теплопроводности в газах не зависит от давления. Однако если газ сильно разрежен, то длина свободного пробега определяется не столкновениями молекул друг с другом, а их столкновениями со стенками сосуда. Состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул ограничивается размерами сосуда называют высоким вакуумом. При высоком вакууме теплопроводность убывает пропорционально плотности вещества (то есть пропорциональна давлению в системе): ϰ ∼ 1 3 ρ c v l v ¯ ∝ P <3>>rho c_l>propto P> , где l — размер сосуда, P — давление.

Таким образом коэффициент теплопроводности вакуума тем ближе к нулю, чем глубже вакуум. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тем не менее, энергия в вакууме передаётся с помощью излучения. Поэтому, например, для уменьшения теплопотерь стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.

Обобщения закона Фурье [ править | править код ]

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье неприменим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. п. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл [4] , а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом: [5]

τ ∂ q ∂ t = − ( q + ϰ ∇ T ) . >>=-left(mathbf +varkappa ,nabla Tright).>

Если время релаксации τ пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.

Коэффициенты теплопроводности различных веществ [ править | править код ]

МатериалТеплопроводность, Вт/(м·K)
Графен4840 ± 440 — 5300 ± 480
Алмаз1001—2600
Графит278,4—2435
Арсенид бора [en]200—2000
Карбид кремния490
Серебро430
Медь401
Оксид бериллия370
Золото320
Алюминий202—236
Нитрид алюминия200
Нитрид бора180
Кремний150
Латунь97—111
Хром107
Железо92
Платина70
Олово67
Оксид цинка54
Сталь нелегированная47—58
Свинец35,3
Титан21,9
Сталь нержавеющая (аустенитная) [6]15
Кварц8
Термопасты высокого качества5—12 (на основе соединений углерода)
Гранит2,4
Бетон сплошной1,75
Бетон на гравии или щебне из природного камня1,51
Базальт1,3
Стекло1—1,15
Термопаста КПТ-80,7
Бетон на песке0,7
Вода при нормальных условиях0,6
Кирпич строительный0,2—0,7
Силиконовое масло0,16
Пенобетон0,05—0,3
Газобетон0,1—0,3
Древесина0,15
Нефтяные масла0,12
Свежий снег0,10—0,15
Пенополистирол (горючесть Г1)0,038—0,052
Экструдированный пенополистирол (горючесть Г3 и Г4)0,029—0,032
Стекловата0,032—0,041
Каменная вата0,034—0,039
Пенополиизоцианурат (PIR)0,023
Пенополиуретан (поролон)0,029-0,041
Воздух (300 K, 100 кПа)0,022
Аэрогель0,017
Диоксид углерода (273—320 K, 100 кПа)0,017
Аргон (240—273 K, 100 кПа)0,015
Вакуум (абсолютный)0 (строго)
Читайте так же:
Провод для датчиков температуры теплого пола

Также нужно учитывать передачу тепла из-за конвекции молекул и излучения. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепловая энергия передаётся излучением (Солнце, инфракрасные теплогенераторы). В газах и жидкостях происходит перемешивание разнотемпературных слоёв естественным путём или искусственно (примеры принудительного перемешивания — фены, естественного — электрочайники). Также в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепловой энергии, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.

Физика. 10 класс

Конспект урока

Физика, 10 класс

Урок 32. Электрический ток в металлах

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) прохождение тока в металлах;

2) зависимость сопротивления металлов от температуры;

3) явление сверхпроводимости.

Глоссарий по теме

Свободные электроны – это электроны, не связанные с определенными атомами.

Сверхпроводимость – физическое явление, заключающееся в скачкообразном падении до нуля сопротивления вещества.

Температурный коэффициент сопротивления — величина, равная относительному изменению электрического сопротивления участка электрической цепи или удельного сопротивления вещества при изменении температуры на 1 К.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 216-224.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. — М.: Дрофа, 2009.- С.81-89.

М.М. Балашов О природе М., Просвещение, 1991г.

Е.А. Марон, А.Е. Марон Сборник качественных задач по физике. М., Просвещение, 2006

Я.И. Перельман Занимательная физика. М.: “Наука”, 1991.

Основное содержание урока

Все тела по проводимости электрического тока делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Для того чтобы электрическую энергию доставить от источника тока потребителю составляют электрические цепи. В большинстве случаев в электрической цепи используются металлические провода. По физической природе зарядов – носителей электрического тока, электропроводность подразделяют на:

Какие заряженные частицы движутся в металлах при наличии тока?

После открытия в 1897 году английским ученым Дж. Дж. Томсоном электрона стали разрабатываться теории, объясняющие электропроводность металлов. Автором первой теории был Пауль Друде – немецкий физик. Эта теория нуждалась в опытном обосновании. В 1901 г. немецкий физик Э. Рикке поставил опыт по исследованию прохождения тока в металлах.

Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют. Впоследствии вопросом проводимости металлов заинтересовались и другие учёные. В 1913 году российские учёные Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси провели опыты по исследованию проводимости металлов. Суть опытов сводилась к тому, что катушка, на которую наматывали металлическую проволоку приводили во вращательное движение и резко тормозили. При торможении электроны продолжали двигаться по инерции и гальванометр, соединенный с катушкой фиксировал появление тока. По направлению отклонения стрелки гальванометра было установлено, что ток создается движением отрицательно заряженных частиц. На основании измерения отношения заряда частиц к их массе выяснилось, что ток создается движением свободных электронов. Аналогичный опыт был поставлен в 1916 году американскими учеными Т. Стюартом и Р. Толменом. Результаты опытов говорили, что ток в металлах создается движением электронов.

После анализа имеющихся данных о прохождении тока в металлах разными учеными была разработана современная классическая теория проводимости тока металлами. Основные положения электронной теории проводимости металлов.

1. Металл можно описать следующей моделью: кристаллическая решетка ионов погружена в идеальный электронный газ, состоящий из свободных электронов. У большинства металлов каждый атом ионизирован, поэтому концентрация свободных электронов приблизительно равна концентрации атомов 1023- 1029м-3 и почти не зависит от температуры.

2.Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном хаотическом движении.

3. Электрический ток в металле образуется только за счет упорядоченного движения свободных электронов.

Читайте так же:
Тепловозы с электрической передачей переменно постоянного тока

Опираясь на данную теорию удалось объяснить основные законы электрического тока в металлах. Исходя из электронной теории можно найти связь между силой тока в металлах и скоростью движения электронов.

Сила тока равна произведению заряда электрона, их концентрации, площади сечения проводника и средней скорости движения электронов:

Отсюда . По этой формуле можно найти среднюю скорость движения электронов.

Если в эту формулу подставлять числовые данные силы тока, концентрации и площади сечения для разных металлов, то мы увидим, что средняя скорость движения электронов составляет всего лишь какие-то доли миллиметра в секунду. Когда говорят о скорости распространения тока имеют в виду скорость распространения электрического поля в проводнике, которое равно скорости света.

На силу тока в проводнике влияет и сопротивление проводника. Опыт показывает, что сопротивление металлов зависит от температуры. Увеличение сопротивления можно объяснить тем, при повышении температуры увеличивается скорость и амплитуда хаотического движения ионов кристаллической решетки металла и свободных электронов. Это приводит к более частым их соударениям, что затрудняет направленное движение электронов, то есть увеличивает электрическое сопротивление.

зависимость сопротивления металлов от температуры выражается формулой:

При нагревании размеры проводника практически не меняются, в основном меняется удельное сопротивление. Учет зависимости сопротивления от температуры используется в термометрах сопротивления.

Формула зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры имеет вид:

где ρ0 — удельное сопротивление при 0 градусов,

α — температурный коэффициент сопротивления.

Графиком зависимости ⍴(t) является прямая.

Хотя коэффициент α довольно мал, учет зависимости сопротивления от температуры при расчете нагревательных приборов совершенно необходим.

При понижении температуры сопротивление металлов должно уменьшаться. В 1911 году датский физик Х. Каммерлинг — Оннес открыл явление, названное сверхпроводимостью. Исследуя зависимость сопротивления ртути от температуры, он обнаружил, что при температуре 4,12 К сопротивление ртути исчезает. В сверхпроводящее состояние могут перейти многие химические соединения и сплавы. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах.

Вещества, находящиеся в сверхпроводящем состоянии, приобретают новые свойства. Наиболее важным из них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток в проводниках.

Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Теоретическое объяснение явления сверхпроводимости на основе квантово-механических представлений было дано учеными Дж. Бардиным, Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) в 1957 г.

В 1986 году была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).

В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ переходящими в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре. Ученые надеются получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если удастся создать сверхпроводник при нормальной температуре, то будет решена проблема передачи электроэнергии по проводам без потерь.

Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.

Открытие вещества, переходящего в сверхпроводящее состояние при комнатной температуре, позволило бы упростить решение многих технических вопросов. Во-первых, отсутствие сопротивления означает отсутствие каких-либо потерь на нагревание. Отсутствие нагревания и потерь энергии на него чрезвычайно важно для электродвигателей и электронной вычислительной техники, а также для передачи электроэнергии.

В сверхпроводниках из-за отсутствия сопротивления протекают чрезвычайно высокие токи, создающие сильные магнитные поля, что может применяться при термоядерном синтезе для удержания высокотемпературной плазмы в реакторе.

На сегодняшний момент в некоторых странах существует железнодорожная сеть с поездами на магнитной подушке. После открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннес, пытаясь создать сверхпроводящий электромагнит, обнаружил, что изменение тока, или же магнитные поля, разрушают эффект сверхпроводимости. Только к середине двадцатого века удалось создать сверхпроводящие электромагниты. На данный момент продолжаются исследования по изучению высокотемпературной сверхпроводимости.

Разбор типовых тренировочных заданий

1. Сопротивление железного проводника при 0 0 С и 600 0 С равны соответственно 2 Ом и 10 Ом. Каков температурный коэффициент железа?

Зависимость сопротивления металлов от температуры определяется формулой

Из этой формулы выразим температурный коэффициент железа – α

После подстановки числовых данных получаем

2. Какова скорость дрейфа электронов в медном проводе диаметром 5 мм, по которому к стартеру грузовика подводится ток 100 А. Молярная масса меди

Читайте так же:
Тепловое действие тока картинки для презентации

Сила тока в проводнике равна:

Выразим скорость из этой формулы:

Концентрацию электронов найдем по формуле:

Число электронов найдём по формуле:

Площадь сечения равна:

Учитывая всё это запишем конечную формулу для расчёта скорости дрейфа электронов:

Создан материал, который проводит электричество, но не нагревается

Хорошо известно, что различного рода металлы, способные проводить электричество, в то же время довольно сильно нагреваются. Это обусловлено целым рядом химических и физических свойств материалов, но электро- и теплопроводность почти всегда «идут рука об руку». Однако, как мы знаем, в нашем мире нет ничего ничего не возможного. Например, как передает редакция издания Sciencealert, группа исследователей из лаборатории Университета Беркли (США) смогла создать металл, который отлично проводит электричество, но при это не нагревается.

Создан материал, нарушающий физические законы?

Какой металл обладает уникальными свойствами?

Как сообщают ученые, новый металл (а точнее соединение металла), что проводит электричество, не проводя тепла бросает вызов нашему нынешнему пониманию того, как работают проводники. Так как само его наличие противоречит тому, что называется законом Видемана-Франца. Если не вдаваться в подробности, то данный физический закон утверждает, что хорошие проводники электричества также будут пропорционально хорошими проводниками тепла. Этим объясняется, например, то, что приборы, использующие для своей работы электричество, со временем нагреваются. Но не будем больше оттягивать интригу. Команда ученых из США показала, что данное явление не наблюдается в оксиде ванадия, который обладает странной способностью «переключаться» с материала, являющегося изолятором, на проводящий металл при температуре 67 градусов Цельсия.

Это было совершенно неожиданное открытие, — сказал ведущий исследователь Джункуао Ву из отдела материаловедения Лаборатории Беркли. Это открытие имеет фундаментальное значение для понимания основного принципа работы новых проводников. Новое неожиданное свойство не только изменяет то, что мы знаем о проводниках, но и может быть невероятно полезным. Например, металл однажды может быть использован для преобразования отработанного тепла от двигателей и приборов обратно в электричество.

Так что никаких физических законов оксид ванадия не нарушает. Стоит заметить, что исследователи уже знали о нескольких других материалах, которые проводят электричество лучше, чем тепло, но они проявляют эти свойства только при температурах ниже нуля, что делает их крайне непрактичными для применения в реальной жизни. Оксид ванадия, с другой стороны, обычно является только проводником электричества при плюсовых температурах выше комнатной температуры, что означает, что он имеет быть намного более практичным. Чтобы открыть это странное свойство, команда изучила, как электроны движутся в кристаллической решетке оксида ванадия, а также то, сколько тепла в этот момент генерируется.

Удивительно, но они обнаружили, что теплопроводность, которую можно было бы приписать электронам в материале, была в 10 раз меньше той величины, которая предсказывалась законом Видемана-Франца. Причина этого, по-видимому, заключается в способе перемещения электронов через материал.

Электроны двигаются синхронно друг с другом. Как жидкость, а не как отдельные частицы, что наблюдается в обычных металлах. Для электронов теплопроводность — это случайное движение. Обычные металлы переносят тепло эффективно, потому что существует много различных возможных микроскопических конфигураций поведения электронов и они могут хаотично перемещаться. А вот скоординированное движение электронов в диоксиде ванадия наносит ущерб теплопередаче, поскольку существует меньше «возможностей для движения». При этом электропроводность в данном случае не страдает.

Интересно, что когда исследователи смешали оксид ванадия с другими металлами, они смогли «настроить» количество электричества и тепла, которое он может проводить, что может быть невероятно полезно для будущих применений. Например, когда эксперты добавили металл под названием вольфрам к оксиду ванадия, они сделали его лучшим теплопроводником. Хотите узнать больше новостей из мира высоких технологий? Подписывайтесь на нас в Яндекс.Дзен.

Настраивая таким образом теплопроводность, материал может эффективно применяться для автоматического рассеивания тепла в жаркое лето, потому что он будет иметь высокую теплопроводность, но предотвращать его потерю в холодную зиму из-за низкой теплопроводности при более низких температурах.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector