Электрическое сопротивление проводников

Если по проводнику проходит электрический ток, то это значит, что в нем существует электрическое поле и направленное движение эфирных частиц — эфитонов. Противодействие, которое оказывает проводник проходящему по нему электрическому току, называется электрическим сопротивлением проводника или просто сопротивлением.

Сначала рассмотрим основные положения существующей теории электропроводимости и некоторые экспериментально установленные закономерности, которые она не в состоянии объяснить, для того, чтобы их рассмотреть в рамках гипотезы эфирной природы электропроводимости.

Согласно классической электронной теории электропроводности (теория П. Друде — X. Лоренца) считается, что высокая электрическая проводимость металлов обусловлена огромной концентрацией в них носителей тока — электронов проводимости, которые рассматриваются как электронный газ, обладающий свойствами одноатомного идеального газа. В отсутствие электрического поля электроны проводимости хаотически движутся и сталкиваются с ионами проводника, находящимися в узлах кристаллической решетки. Средняя длина свободного пробега электронов составляет порядка расстояния между узлами решетки. Электрический ток возникает'под действием электрического поля,

которое вызывает упорядоченное движение электронов проводимости. Скорость дрейфа электронов при самых больших допустимых плотностях тока составляет величину порядка IO-3 м/с.

Однако классическая электронная теория с ее представлением о природе электрического тока и его носителях не в состоянии объяснить следующие экспериментально установленные закономерности [57]. Установлено, что в широком интервале температур T удельное электрическое сопротивление р пропорционально температуре проводника (р~Т), а удельная электрическая проводимость у обратно пропорциональна температуре проводника (у~1/Т).

v эл              реш              эл

Каждый ион, находящийся в узле кристаллической решетки, имеет три колебательные степени свободы и поэтому обладает энергией, равной ЗкТ. В этом случае внутренняя энергия моля ионов будет равна 3RT, а его теплоемкость — 3R (Здесь: к — постоянная Больцмана; R — универсальная газовая постоянная). Согласно же классической теории теплоемкостей идеальных газов, молярная теплоемкость электронного газа (одноатомного идеального газа) Cm= 3/2R. Тогда молярная теплоемкость металла должна быть ровна С = 3R + 3/2R = 9/2R. Однако опыты показывают, что молярная теплоемкость металлов практически не отличается от молярной теплоемкости кристаллических диэлектриков и при обычных температурах близка к 3R, т.е. внутренняя энергия электронного газа в металле не изменяется при нагревании проводника.

Для обеспечения лучшего согласия теории с экспериментом А. Зом- мерфельд разработал квантовую теорию металлов (1928), в которой он

к

применил к электронному газу не статистику Максвелла-Больцмана, а квантовую статистику Ферми-Дирака, что позволило ему получить другое значение Can и объяснить малый вклад электронов проводимости в теплоемкость металлов.

Приведенные выше несоответствия теоретических расчетов с экспериментальными данными определяются незнанием, прежде всего, природы электрического тока, а не свойств электронного газа. Кроме выше приведенных недостатков, существующая теория электропроводимости не рассматривает такие факторы, оказывающие большое влияние на удельное сопротивление проводника, как форма кристаллической решетки, строение электронных оболочек атомов, магнетосопротивление вещества. Так, например, известно, что алмаз является диэлектриком, а графит хорошим проводником, хотя оба они состоят из углерода, но имеют разные формы кристаллической решетки.

Рассмотрим механизм проявления сопротивления электрическому току в проводниках в рамках гипотезы эфирной природы электропроводимости.

В узлах кристаллической решетки (рис. 5.5.1) проводника располагаются атомы, каждый из которых окружен своим эфирным полем.

Пространство между атомами за- Межатомное эфирное поле              нимает              межатомное              эфирное              поле.

alt="" />Каждое эфирное поле представляет собой сверхпроницаемый кристалл, в узлах которого располагаются эфитоны. Все эфирные поля связаны между собой электромагнитной энергией пространственных связей эфитонов этих полей, которые обеспечивают устойчивость кристаллической решетки проводника. Эфитоны эфирных полей находятся в постоянном колебательном и волновом движении. Волны эфирных полей представляют собой, по выражению Луи де Бройля, своеобразные «волны-пилоты». Эти волны вызывают колебания электронов,

ядра и атома в целом. Амплитуда волн эфирного поля определяет температуру проводника.

Электрический ток в проводнике представляет собой направленное волнообразное движение эфирных частиц — эфитонов. Это движение происходит из области высокой концентрации эфитонов (от плюса) в область с меньшей концентрацией (к минусу) по межатомному эфирному полю.

Электрическое сопротивление проводников определяется как формой кристаллической решетки проводника, так и энергетикой межатомного эфирного поля. Форма решетки жестко связана с размерами межатомных просЬетов. С уменьшением этих размеров сопротивление току возрастает. Когда межатомные просветы становятся настолько малы, что ток перестает течь, то проводник становится диэлектриком. Влияние формы кристаллической решетки на электрическое сопротивление проводников наглядно проявляется на алмазе и графите, которые оба состоят из углерода.

Алмаз имеет кристаллическую решетку октаэдрической формы (рис. 5.5.2), при которой расстояния между соседними атомами по всем граням одинаковы и имеют минимально возможную величину. При таких расстояниях межатомное эфирное поле уже не способно обеспечить протекание электрического тока. Поэтому алмаз является диэлектриком.

Кристаллы графита (рис. 5.5.3) имеют призматическую форму, в которой интервалы между атомами неодинаковы, и, соответственно, пропорционально этим интервалам размеры межатомных эфир

ных полей по разным направлениям будут тоже разными. При этом наименьшее сопротивление электрическому току в графите будет по тем направлениям, где интервалы между атомами больше.

На электрическое сопротивление оказывает существенное влияние не только форма кристаллической решетки, но и энергетика межатомного эфирного поля, которая определяется температурой и сортом атома проводника (строением электронной оболочки).

Амплитуда колебаний эфитонов межатомного эфирного поля и электронных слоев атомов всегда пропорциональна температуре проводника. Чем выше температура проводника, тем больше амплитуда колебаний эфитонов. Прохождение же электрического тока по межатомному эфирному полю образно можно сравнить с прохождением струи воды в воде, в которой на определенном расстоянии друг от друга находятся твердые шаровые образования.

У большинства веществ удельное сопротивление электрическому току растет пропорционально температуре. С повышением температуры растет амплитуда колебаний эфитонов, в результате чего возрастает объем электронных оболочках атомов (атомы «разбухают»). Несмотря на некоторое увеличению объема проводника, это приводит как к сокращению межатомных расстояний в его кристаллической решетке, так и к одновременному повышению энергетики межатомного пространства. Они являются основными причинами повышения удельного сопротивления проводника. Поэтому у большинства проводников удельное сопротивление электрическому току изменяется пропорционально росту его температуры (р~Т).

Ho есть отдельные вещества, как, например, графит, у которого удельное сопротивление электрическому току с ростом температуры падает. Почему это происходит? Так как кристаллы графита имеют призматическую форму, то, по-видимому, с повышением температуры межатомные расстояния по одним граням сокращаются, а по другим увеличиваются (грани «растягиваются») из-за изменения формы решетки, особенно у наклонных призм, что приводит к уменьшению удельного сопротивления у графитового проводника.

Большое влияние на величину удельного сопротивления проводников оказывает строение электронных оболочек атомов. В ниже приведенной таблице 5.5.1 даны удельные сопротивления (при T = 20° С) некоторых наиболее употребляемых материалов, используемых для изготовления проводников, и строение электронных оболочек их атомов.

Таблица 5.5.1
Все материалы, приведенные в таблице, по величине удельного сопротивления можно разделить на три условные группы: проводники с хорошей проводимостью (1-4), со средней проводимостью (5-9), с плохой проводимостью (10-11).

Характерными особенностями в строении электронной оболочки атомов проводников с хорошей проводимостью является то, что внутренние электронные слои полностью, заполнены или заполнение последнего внутреннего слоя заканчивается полным составом электронов в состоянии d (золото), а во внешнем электронном слое всегда находится нечетное число электронов. Так у серебра, меди и золота находится только по одному электрону (в состоянии s), а у алюминия во внешнем слое находится три электрона (2 в состоянии s и I в состоянии d). У таких проводников общее количество электронов всегда нечетно (элементы имеют нечетные атомные номера), а в состоянии s или d находится один электрон.

Для проводников со средней проводимостью характерными особенностями являются то, что общее число электронов в электронной оболочке всегда четно (элементы имеют четные атомные номера). При этом во внешнем электронном слое находятся один или два электрона

(в состоянии s), а предыдущий слой всегда до конца не заполнен. В том случае, если во внешнем электронном слое находится только один электрон (молибден, платина), то в предыдущем слое число электронов нечетно.

У проводников с плохой проводимостью, как и у хороших, внутренние электронные слои полностью заполнены, но во внешнем слое число электронов больше одного.

Как следует из выше сказанного, удельное сопротивление проводников в основном должна определять электронная конфигурация его атомов. Сравним электронные конфигурации проводников из платины, золота и ртути, занимающие места в таблице Менделеева с 78 по 80.

Электронные конфигурации платины и золота отличаются только тем, что у платины в 5-ом электронном слое не хватает одного электрона. Такое, на первый взгляд, незначительное отличие приводит к увеличению удельного сопротивления у платины в 4,3 раза, по сравнению с золотом. У ртути, по сравнению с золотом, во внешнем слое на один электрон больше, что также приводит к увеличению удельного сопротивления почти в 40 раз. Зависимость удельного сопротивления от числа электронов во внешнем электронном слое также прослеживается и на висмуте. Электронные конфигурации золота и висмута отличаются тем, что висмут во внешнем электронном слое имеет пять электронов, •а золото — один, и отсюда удельное сопротивление висмута в 50 раз выше, чем у золота.

Каким же образом электронная конфигурация может оказывать свое влияние на электрическое сопротивление проводников?

У проводников с хорошей проводимостью внутренние слои электронной оболочки полностью заполнены электронами или заполнение последнего внутреннего слоя заканчивается полным составом электронов в состоянии d, а во внешнем слое находится, как правило, один электрон. Такая электронная конфигурация обеспечивает: I) минимальное электромагнитное воздействие электронной оболочки атома на межатомное эфирное поле и, соответственно, минимальное сопротивление току; 2) при одном электроне во внешнем слое на большей части его площади при похождении электрического тока возможно некоторое “уплотнение” эфирного поля этого слоя. Такое “уплотнение” равносильно увеличению межатомного пространства, что также ведет к уменьшению сопротивления току; 3) минимальные затраты энергии на переориентацию магнитногр момента электрона в направлении, перпендикулярном направлению течения тока.

У проводников со средней проводимостью последний внутренний слой электронной оболочки не заполнен, а во внешнем слое находятся один или два электрона. Такая электронная конфигурация, по- видимому, уже способна оказывать электромагнитное воздействие на ориентацию эфитонов межатомного эфирного поля по электрической и магнитной составляющим. В этом случае при прохождении тока по проводнику затрачивается определенная энергия на переориентацию эфитонов межатомного эфирного поля и преодоление противодействия такой переориентации со стороны электронов последнего внутреннего и внешнего слоев электронных оболочек атомов.

У проводников с плохой проводимостью основное влияние на их удельное сопротивление должны оказывать электроны внешнего слоя электронной оболочки атомов, которые своим электромагнитным воздействием на эфитоны межатомного эфирного поля ориентируют их в соответствии со своими электрическими и магнитными диполями. Поэтому, как и в предыдущем случае, при прохождении тока по проводнику должна затрачивается определенная энергия на переориентацию эфитонов межатомного эфирного поля. Ho в данном случае из-за более близкого расположения электронов внешнего слоя и, соответственно, более сильного их электромагнитного воздействия на ориентацию эфитонов межатомного эфирного поля должно тратиться значительно больше количество энергии на их переориентацию и преодоление противодействия такой переориентации со стороны электронов.

Таким образом, на электрическое сопротивление проводников существенное влияние оказывают эфирное поле, форма кристаллической решетки, строение электронной оболочки атомов и температура.