78.Электропроводность металлов(история)

Данная гипотеза заключается в том, что причиной электрического сопротивления металлов является не соударение электронов с ионами кристаллической решетки металла, а потери на излучение. Однако, не спешите сказать, что лучевое трение пренебрежимо мало и не может быть причиной электрического сопротивления. Автор попытается показать, что это вовсе не очевидно.

Особенностью данной гипотезы является рассмотрение лучевого трения с учетом огромных скоростей теплового движения электронов, Гипотеза сводится к тому, что в результате действия электрического поля увеличивается средняя кинетическая энергия движения электронов, что непосредственно приводит к увеличению интенсивности теплового излучения и является причиной торможения зарядов и нагрева проводника.

Рассмотрим более подробно процессы, проходящие в металлическом проводнике. Будем, как обычно, полагать, что свободные электроны в металле, ведут себя подобно газу, состоящему из заряженных частиц. Электроны находятся в состоянии хаотического теплового движения, причем средняя кинетическая энергия теплового движения электрона пропорциональна температуре.

W = = K T

При этом электронный газ, как и всякое другое тело, одновременно излучает и поглощает тепловую энергию в инфракрасном диапазоне. При равенстве температуры газа и температуры окружающей среды эти процессы находится в состоянии теплового равновесия. Очевидно, что мощность теплового излучения зависит от скорости теплового движения и возрастает с ростом V или W.

Пусть эта зависимость для электронного газа выражается некоторой функцией N(W), и пусть температура газа равна Т0 , что соответствует кинетической энергии электронов W0 и мощности теплового излучения N0 рис.1. (Заметим, что для газа, состоящего из незаряженных частиц эта зависимость близка к закону Стефана, т.е. N пропорционально W4 )

При появлении внешнего электрического поля, напряженностью Е электроны начинают ускоренное движение под действием силы

Fk = e E, (2) где е – заряд электрона

Со скоростью U направленного движения, т.е. возникает электрический ток. При этом предполагается (по теории П.Друде), что скорость U не растет до бесконечности из за соударения с кристаллической решеткой. При каждом соударении скорость сбрасывается до нуля и, затем снова начинает расти. Таким образом, средняя скорость U зависит от средней длины свободного пробега, которая фактически и определяет сопротивление проводника. Потери на излучение ускоренного электрона (лучевое трение) при этом не учитываются. Теория неправильно количественно предсказывает температурную зависимость сопротивления и имеет еще другие слабые стороны. Странно , что обнуляется только скорость U, а скорость теплового движения V при этом не меняется.

Вывод закона ома из электронной теории:

Друде считал, что сразу после очередного соударения электрона с ионом кристаллической решетки скорость упорядоченного движения электрона равна нулю. Предположим, что напряженность поля не изменяется. Тогда под действием поля электрон получит постоянное ускорение равное

и к концу пробега скорость упорядоченного движения достигнет значения

где t - среднее время между двумя последовательными соударениями электрона с ионами решетки. Друде не учитывал распределение электронов по скоростям и приписывал всем электронам одинаковое значение средней скорости В этом приближении , где среднее значение длины свободного пробега, - скорость теплового движения электронов. Подставим это значение t в формулу (18.2) Скорость изменяется за время пробега линейно. Поэтому ее среднее (за пробег) значение равно половине максимального Подставив это выражение в получим Плотность тока оказалась пропорциональной напряженности поля. Следовательно, мы получили закон Ома. Согласно коэффициент пропорциональности между j и Е представляет собой проводимость Если бы электроны не сталкивались с ионами решетки, длина свободного пробега, а, следовательно, и проводимость были бы бесконечно велики. Таким образом, электрическое сопротивление металлов обусловлено соударениями свободных электронов с ионами.

79. закон Видемана- Франца закон, соотношение, связывающее между собой теплопроводность и электрическую проводимость металлов. В 1853 Г. Видеман и Р. Франц на основании экспериментальных данных установили, что для всех металлов отношение теплопроводности c к электрической проводимости s при постоянной температуре одинаково: В 1882 датский физик Л. Лоренц показал, что отношение изменяется прямо пропорционально абсолютной температуре T: где L — постоянная, одинаковая для всех металлов, называется числом Лоренца.

Взаимная связь электрической проводимости и теплопроводности объясняется тем, что оба эти свойства металлов обусловлены в основном движением электронов. В. — Ф. з. впервые был объяснён немецким физиком П. Друде, который рассматривал электроны в металле как газ и применил к ним методы классической кинетической теории газов (см. Газы). Однако только с помощью квантовой статистики для L было получено выражение, хорошо согласующееся с экспериментом: где k — Больцмана постоянная, е — заряд электрона. В. — Ф. з. согласуется с опытом, однако лишь в определённом интервале температур.