Вільні носії електричного заряду в металах.
Е лектріческая ток в металах обумовлюється впорядкованим рухом вільних електронів (електронів провідності). Позитивно заряджені іони не беруть участі в перенесенні заряду .
Електронну природу носіїв струму в металах пояснюють таким чином:
Кристалічна решітка металу складається з позитивних іонів, які розташовані в вузлах решітки, і електронів, які вільно пересуваються між вузлами. Ці електрони - є валентними електронами атомів металу, яке залишили свої атоми. Вільні електрони безладно рухаються по кристалу, «не пам'ятаючи» вже, якого атому вони належали. Їх також називають електронним газом. Природно, при цьому сума позитивних зарядів іонів решітки дорівнює сумарному негативному заряду вільних електронів, значить, метал залишається незарядженим, або електронейтральний.
Не думайте, що під дією електричного струму всі електрони в провіднику направляються в одному напрямку. У них просто з'являється переважний напрямок руху (уздовж поля), накладається на хаотичний рух за відсутності поля.
Причому середня швидкість руху електронів становить кілька міліметрів в секунду . Однак швидкість поширення самого електричного поля - окло 3 · 108 м / с . З такою ж швидкістю поширюється електричний струм.
Тут можна провести аналогію електричного струму з плином води в водопроводі, а поширення електричного поля - з поширенням тиску води. Вода в крані перебуває під тиском всього стовпа води у водонапірній башті. Але з крана тече та вода, яка в ньому була, а вода з вежі дійде до крана набагато пізніше, т. К. Рух води відбувається з набагато меншою швидкістю, ніж поширення тиску.
Існування вільних електронів в металах доведено опитнм шляхом Л. І. Мандельштама і М. Д. Папалексі (якісно), Б. Стюартом і Р. Томсоном - з отриманням кількісних результатів (1916 г.).
Схема досвіду:
Котушка з великим числом витків тонкого дроту наводилася в швидке обертання навколо своєї осі. Кінці котушки через спеціальні контакти замикалися на чутливий гальванометр. Після розкручування котушки вона різко гальмувалася спеціальним пристосуванням. При цьому гальванометр реєстрував короткочасний струм, напрямок якого вказувало на негативний знак носіїв заряду. Під час експерименту були використані інерційні властивості електронів: при різкому гальмуванні провідника вони продовжували деякий час рухатися (подібно пасажирам різко гальмуючого вагона). З цих дослідів було визначено ставлення заряду до маси носія струму, яке збіглося з відповідним значенням для електрона (1,8 · 1011 Кл / кг.)
Пояснити більшість властивостей металів, наприклад, його електричних властивостей ( закон Ома ), Озволяет електронна теорія металів. Класична електронна теорія металів грунтується на уявленні про електронах провідності як про електронний газі, подібному ідеального атомарному газу молекулярної фізики. У цій теорії вважається, що рух електронів підкоряється законам Ньютона , Взаємодією між собою електронів нехтують, а взаємодія з позитивними іонами решітки зводять тільки до зіткнень.
Що б пояснити закон Ома грунтуючись на класичній електронній теорії металів, потрібно визначити вираз для середньої швидкості v спрямованого упорядкованого руху електронів в електричному полі з напруженістю Е і підставити в відому формулу для сили струму I :
I = q 0 nvS,
де q0 = e - заряд електрона, n - концентрація електронів, S - площа поперечного перерізу провідника .
Електрони в металі, беручи участь в тепловому русі, постійно зіштовхуються з іонами решітки. Оскільки маса електрона набагато менша за масу іона, значить, після наступного зіткнення всі напрямки швидкості різновірогідні. Це означає, що початкова швидкість після наступного зіткнення може мати будь-який напрямок і, отже, середнє значення вектора початкової швидкості дорівнює нулю, і початкова швидкість не впливає на середню швидкість спрямованого руху електронів. Це дозволяє вважати, що середня швидкість упорядкованого руху електронів v дорівнює добутку прискорення на середній час τ руху електрона між двома зіткненнями з іонами: v = а · τ. застосувавши другий закон Ньютона і вираз для напруженості електричного поля , Отримаємо:
де F - сила, що діє на електрон з боку поля, U - напруга на кінцях провідника довжиною L.
Тепер, підставляючи отримане рівняння в вираз I = q0nvS, маємо:
.
Як можна побачити з отриманого виразу, сила струму є пропорційною напрузі, як це і випливає з закону Ома. Це наслідок того, що середня швидкість направленого руху електронів прямо пропорційна напруженості електричного поля в металі.
Але класична електронна теорія не може пояснити більшість експериментальних залежностей, таких як, залежність опору від температури . Це пов'язано з тим, що рух електронів в металі підкоряється законам квантової механіки, а не класичної механіки Ньютона.