електропровідності металів

Носіями струму в металах є вільні електрони, т. Е. Електрони, слабо пов'язані з іонами кристалічної решітки металу. Це уявлення про природу носіїв струму в металах грунтується на електронній теорії провідності метал лов, створеної німецьким фізиком П. Друде (1863-1906) і розробленої згодом нідерландським фізиком X. Лоренц, а також на ряді класичних дослідів, що підтверджують положення електронної теорії.

Перший з таких дослідів - досвід Рикке [4] (1901), в якому протягом року електричний струм пропускався через три послідовно з'єднаних з ретельно відшліфованими торцями металевих циліндра (Сu, А1, Сu) однакового радіуса. Незважаючи на те, що загальний заряд, що пройшов через ці циліндри, досягав величезного значення ( "3,5 × 10 6 Кл), ніяких, навіть мікроскопічних, слідів перенесення речовини не виявилося. Це стало експериментальним доказом того, що іони в металах не беруть участь в перенесенні електрики, а перенесення заряду в металах здійснюється частинками, які є загальними для всіх металів. Такими частками могли бути відкриті в 1897 р англійським фізиком Д. Томсоном (1856-1940) електрони.

Для доказу цього припущення необхідно було визначити знак і величину питомої заряду носіїв (відношення заряду носія до його масі). Ідея подібних дослідів полягала в наступному: якщо в металі є рухливі, слабо пов'язані з гратами носії струму, то при різкому гальмуванні провідника ці частинки повинні за інерцією зміщуватися вперед, як зміщуються вперед пасажири, які стоять в вагоні при його гальмуванні. Результатом зміщення зарядів повинен бути імпульс струму; у напрямку струму можна визначити знак носіїв струму, а знаючи розміри і опір провідника, можна обчислити питома заряд носіїв. Ідея цих дослідів (1913) і їх якісне втілення належать українським фізикам С. Л. Мандельштама (1879-1944) і Н. Д. Папалексі (1880-1947). Ці досліди в 1916 р були вдосконалені і проведені американським фізиком Р. Толменом (1881-1948) і раніше шотландським фізиком Б. Стюартом (1828-1887). Ними експериментально доведено, що носії струму в металах мають негативний заряд, а їх питома заряд приблизно однаковий для всіх досліджених металів. За значенням питомої заряду носіїв електричного струму і за певним раніше Р. Міллікеном елементарного електричного заряду була визначена їх маса. Виявилося, що значення питомого заряду і маси носіїв струму і електронів, що рухаються у вакуумі, збігалися. Таким чином, було остаточно доведено, що носіями електричного струму в металах є вільні електрони.

Існування вільних електронів в металах можна пояснити наступним чином: при утворенні кристалічної решітки металу (в результаті зближення ізольованих атомів) валентні електрони, порівняно слабко пов'язані з атомними ядрами, відриваються від атомів металу, стають «вільними» і можуть переміщатися по всьому об'єму. Таким чином, в вузлах кристалічної решітки розташовуються іони металу, а між ними хаотично рухаються вільні електрони, утворюючи своєрідний електронний газ, що володіє, згідно електронної теорії металів, властивостями ідеального газу.

Електрони провідності при своєму русі стикаються з іонами решітки, в результаті чого встановлюється термодинамічна рівновага між електронним газом і гратами. За теорією Друде - Лоренца, електрони володіють такою ж енергією теплового руху, як і молекули одноатомного газу. Тому, застосовуючи висновки молекулярно-кінетичної теорії (див. (44.3)), можна знайти середню швидкість теплового руху електронів

яка для T = 300 К дорівнює 1,1 × 10 5 м / с. Тепловий рух електронів, будучи хаотичним, не може привести до виникнення струму.

При накладенні зовнішнього електричного поля на металевий провідник крім теплового руху електронів виникає їх впорядкований рух, т. Е. Виникає електричний струм. середню швидкість ávñ упорядкованого руху електронів можна оцінити згідно з формулою (96.1) для щільності струму: j = neávñ. Вибравши допустиму щільність струму, наприклад для мідних проводів 10 7 А / м 2. отримаємо, що при концентрації носіїв струму n = 8 × 10 28 м -3 середня швидкість ávñ упорядкованого руху електронів дорівнює 7,8 × 10 -4 м / с. отже, ávñ # 8810; áuñ, Т. Е. Навіть при дуже великій щільності струму середня швидкість упорядкованого руху електронів, що обумовлює електричний струм, значно менше їх швидкості теплового руху. Тому при обчисленнях результуючу швидкість (ávñ + áuñ) Можна замінювати швидкістю теплового руху áuñ.

Здавалося б, отриманий результат суперечить факту практично миттєвої передачі електричних сигналів на великі відстані. Справа в тому, що замикання електричного кола тягне за собою поширення електричного поля зі швидкістю с (з = 3 × 10 8 м / с). Через час t = 1 / c (l - довжина ланцюга) уздовж ланцюга встановиться стаціонарне електричне поле і в ній почнеться впорядкований рух електронів. Тому електричний струм виникає в ланцюзі практично одночасно з її замиканням.