Классической электронной

177. Как узнать по внешнему виду пластин кислотного аккумулятора, какая из них положительная, а какая отрицательная?

а) кислотного аккумулятора...

А. Зарядка кислотного аккумулятора

Примерные кривые разряда и заряда кислотного аккумулятора приведены на X. 1,6. Номинальным напряжением кислотного аккумулятора считают 2 В. В процессе разряда не следует разряжать аккумулятор ниже 1,8 В, в противном случае на отрицательных пластинах может образоваться белый налет из труднорастворимых солей — «сульфатация». Сульфат очень трудно удалить и обычно сульфати-рованные пластины приходится заменять. По этой же причине хранить неработающие аккумуляторы с залитым электролитом можно только после их полной зарядки.

Признаком конца заряда кислотного аккумулятора является повышение напряжения на нем до 2,6—2,7 В и возросшая плотность электролита, который при этом интенсивно кипит.

При емкостях в несколько десятков ампер-часов малое внутреннее сопротивление кислотного аккумулятора (порядка сотой доли ома) дает возможность получить в импульсном режиме очень большие токи, но, с другой стороны, делает очень опасным короткое замыкание аккумулятора. При этом могут значительно покоробиться пластины и выпасть активная масса.

14.23. Устройство кислотного аккумулятора:

Во Е.ремя разряда аккумулятора направление тока противоположно направлению зарядного тока. Поэтому химические процессы при разряде происходят в обратном порядке: на положительной пластине выделяется водород а на отрицательной — кислород. Через некоторое время поверхности обеих пластин становятся почти одинаксвыми по химическому составу, и тогда ЭДС аккумулятора значительно уменьшается. ЭДС у полностью заряженного кислотного аккумулятора составляет 2,05—2,06 В. Разрядка аккумулятора ниже 1,3 В недопустима, так как при этом активная масса пластин преобразуется в труднорастворимые соли свинца и снижается емкость аккумулятора.

Чтобы отклонение вольтметра при включении рубильника в схеме было заметным, следует обеспечить в первичной цепи возможность установления постоянного тока около 0,5 а. При этом реостат, указанный в условии задачи, будет почти выведен, так как сопротивление первичной обмотки трансформатора и кислотного аккумулятора невелико. Конечно, опыт разметки зажимов трансформатора тока можно было бы выполнить и располагать другими средствами (источник с меньшей э.д.с., реостате меньшим сопротивлением, вольтметр с номинальным напряжением 3—5 в, с односторонним отклонением подвижной части).

зажимах кислотного аккумулятора

4. По полученным данным определить Ех: а) сухого элемента; б) двух сухих элементов, соединенных последовательно; в) то же — параллельно; г) кислотного аккумулятора; д) щелочного аккумулятора; е) термопары.

Согласно классической электронной теории высокая электропроводность металлов объясняется наличием в них огромного количества свободных электронов или электронов проводимости, находящихся в состояний беспорядочного движения и заполняющих объем проводника наподобие газа —электронного газа. При движении электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, направление их движения, скорость, кинетическая энергия при этом изменяются,

Таким образом, пользуясь классической электронной теорией, мы пришли к выводу, что ток в металлическом проводе прямо пропорционален напряжению на его концах (зажимах), и обратно пропорционален сопротивлению провода. Полученное выражение (2-16) было найдено опытным путем в первой половине XIX в. и представляет собой закон Ома — один из основных законов электротехники. Формулу (2-15) часто называют законом Ома для плотности тока.

Однако выявились и противоречия некоторых выводов теории с опытными данными. Они состояли в расхождении температурной зависимости удельного сопротивления, наблюдаемой на опыте и вытекающей из положений теории; в несоответствии теоретически полученных значений теплоемкости металлов опытным данным. Наблюдаемая теплоемкость металлов меньше теоретической и такова, как будто электронный газ не поглощает теплоту при нагреве металлического проводника. Эти противоречия удалось преодолеть, рассматривая некоторые положения с позиций квантовой механики. В отличие от классической электронной теории в квантовой механике принимается, что электронный газ в металлах при обычных температурах находится в состоянии вырождения. В этом состоянии энергия электронного газа почти не зависит от температуры, как это показано на 7-1, т. е. тепловое движение почти не изменяет энергию электронов. Поэтому на нагрев электронного газа теплота не затрачивается, что и обнаруживается при измерении теплоемкости металлов. В состояние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит при температуре порядка тысяч Кельвинов. Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредством свободно движущихся электронов, легко понять природу всех основных свойств металлов: пластичности, ковкости, хорошей теплопроводности и высокой электропроводности.

§ 159. Измерение величины элементарного заряда (352). — § 160. Природа носителей заряда в металлах (355). — § 161. Причина электрического сопротивления (357). — § 162. Классическая электронная теория металлов (360). — § 163. Пределы применимости классической электронной теории металлов (364). — § 164. Явление Холла (366). — § 165. Концентрация и подвижность электронов в металлах (368). — § 166. Полупроводники и изоляторы (369). — § 167. Собственная электропроводность полупроводников (370). — § 168. Примесная электропроводность полупроводников (373).

В классической электронной теории металлов предполагается, что. движение электронов подчиняется законам классической механики Ньютона. Далее, в этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а взаимодействие электронов с положительными ионами сводят только к соударениям. Иными словами, электроны проводимости рассматривают как электронный газ, подобный идеальному атомарному газу молекулярной физики.

Объяснение закона Ома в классической электронной теории. Чтобы выяснить физическую сущность этого объяснения и упростить соответствующие расчеты, будем предполагать, что все электроны проходят между двумя последовательными соударениями одинаковые пути, равные средней длине свободного пути электронов /. Далее, будем считать, что при каждом соударении электрон передает решетке накопленную энергию полностью и поэтому после соударения начинает движение без начальной скорости.

§ 168. Пределы применимости классической электронной теории металлов

Согласно основному допущению классической электронной теории (§ 162) средняя тепловая энергия каждого электрона равна

Теплоемкость всего металла складывается из теплоемкости его кристаллической решетки и теплоемкости электронного газа. Согласно кинетической теории тепла (см. Молекулярную физику) атомная (т. е. рассчитанная на 1 грамм-атом) теплоемкость одноатомных кристаллов равна CV = 3R9^6 кал/град. Поэтому следовало бы ожидать, что атомная теплоемкость металлов будет близка к 9 кал]град.' Однако опыт показывает, что она равна приблизительно 6 кал/град, т. е. для металлов, так же как и для диэлектрических кристаллов, хорошо выполняется закон Дюлонга и Пти. Таким образом, наличие электронов проводимости практически не сказывается на величине теплоемкости, что непонятно с точки зрения классической электронной теории.

Помимо указанных, имеются и другие расхождения между выводами классической электронной теории и опытом.

Причина этих расхождений заключается в неправильности предположения о том, что законы движения электронов в металле такие же, как и газовых атомов. В классической электронной теории предполагается, что электроны проводимости подчиняются, так же как и атомы газа, законам статистики Максвелла — Больцмана и что для них справедлив закон распределения энергий Максвелла. В действительности же для электронов внутри металла справедлива иная, так называемая квантовая статистика, и они подчиняются другому закону распределения энергий (закону Ферми — Дирака). В частности, средняя кинетическая энергия, приходящаяся на один электрон, в квантовой статистике уже не выражается формулой (162.1) и более сложно зависит от температуры: при обычных температурах она почти не зависит от температуры и лишь при очень высоких температурах становится пропорциональной абсолютной температуре.