Природа носіїв струму в металах

Носії струму в металах - вільні електрони (електрони, слабо пов'язані з іонами кристалічної решітки). Це уявлення грунтується на електронній теорії провідності металів, а також на ряді дослідів, що підтверджують її положення.

Електричний струм пропускався протягом року через три послідовно з'єднаних з ретельно відшліфованими торцями циліндра (мідь, алюміній, мідь) однакового радіуса. В результаті, ніяких, навіть мікроскопічних слідів перенесення речовини не виявилося: отже, 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 Д. Томсоном (1897 г) електрони.

Досліди Стюарта і Толмена

(Ідея Мандельштама і Папалексі)

Котушка з великим числом витків, замкнута на чутливий гальванометр, наводилася в швидке обертання навколо своєї осі, а потім різко гальмувалася.

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, що і спостерігалося: у напрямку струму можна визначити знак носіїв струму, а знаючи розміри і опір провідника, можна обчислити питома заряд носіїв. Виявилося, що значення питомого заряду і маси носіїв струму і електронів, що рухаються у вакуумі, збіглися. Таким чином, було остаточно доведено, що носіями електричного струму в металах є вільні електрони.

У 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.

За теорією Друде-Лоренца електрони володіють такою ж енергією теплового руху, як і молекули одноатомного газу. Середня швидкість теплового руху електронів визначається за формулою

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, тобто виникає електричний струм. Середню швидкість упорядкованого руху електронів можна оцінити за формулою

при щільності струму # 1011; = 10 7 А / м 2 (допустима для мідних провідників) n = 8 # 8729; 10 28 м -3. = 7,8 # 8729; 10 -4 м / с. значить, <<т.е. даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов, обуславливающего электрический ток, значительно меньше скорости их теплового движения. Поэтому при вычислениях результирующую скорость ( + ) можно заменять скоростью теплового движения .

Магнітне поле і його характеристики

Виявлення магнітного поля

Магнітне поле - силове поле в просторі, що оточує струми і постійні магніти.

Магнітне поле виявляється по силовому дії на внесення в нього провідники зі струмом або постійні магніти.

Характерна особливість магнітного поля - магнітне поле створюється тільки рухомими зарядами і діє тільки на рухомі в цьому полі електричні заряди.

Електричне поле створюється і діє як на нерухомі, так і рухомі заряди.

Характер впливу магнітного поля на струм залежить від форми провідника, по якому тече струм, від розташування провідника і від напрямку струму.

Щоб охарактеризувати магнітне поле, треба розглянути його дію на певний струм. Для дослідження магнітного поля використовується контур, лінійні розміри якого малі в порівнянні з відстанню до струмів, що утворюють магнітне поле. Орієнтація контуру в просторі характеризується напрямком нормалі до контуру. Напрямок нормалі визначається правилом правого гвинта. за позитивний напрямок нормалі приймається напрямок поступального руху гвинта, головка якого обертається в напрямку струму, поточного в рамці.

За направлення магнітного поля в даній точці приймається напрямок, уздовж якого розташовується позитивна нормаль до вільно підвішеною рамці зі струмом, або напрямок, що збігається з напрямком сили, що діє на північний полюс магнітної стрілки, поміщений в дану точку. Отже, на магнітну стрілку діє пара сил, що повертає її так, щоб вісь стрілки, що з'єднує північний полюс з північним, збігалася з напрямком поля.