Електропровідність металів

1. Класична теорія електропровідності металів

Носіями струму в металах є вільні електрони, тобто електрони, які слабо пов'язані з іонами кристалічних граток металу. Це уявлення про природу носіїв струму в металах грунтується на електронній теорії провідності металів, створеній німецьким фізиком П. Друде і згодом удосконаленій нідерландським фізиком X. Лоренцем, а також на ряді класичних дослідів, що підтверджують положення електронної теорії.

Перший з таких дослідів – досвід Рікке (1901), в якому протягом року електричний струм пропускався через три послідовно сполучених з добре відшліфованими торцями металевих циліндрів (Сu, А1, Сu) однакового радіусу. Загальний заряд, що пройшов через ці циліндри, досягав величезного значення (3,5·10⁶ Кл), проте навіть мікроскопічних слідів перенесення речовини не виявилося, чим було доведено, що:

іони в металах не беруть участь в перенесенні електрики, а перенесення заряду в металах здійснюється частинками, які є спільними для всіх металів, а саме: електронами, відкритими в 1897 р. англійським фізиком Д. Томсоном.

Носії струму в металах. Якщо в металі є рухомі, слабо пов'язані з гратками носії струму, то при різкому гальмуванні провідника ці частинки повинні за інерцією зміщуватися вперед, як зміщуються вперед пасажири, що стоять у вагоні при його гальмуванні. Результатом зсуву зарядів має бути імпульс струму; по напряму цього струму можна визначити знак носіїв струму, а знаючи розміри і опір провідника, можна обчислити питомий заряд носіїв. Виявилося, що значення питомого заряду і маси носіїв струму і електронів, що рухаються у вакуумі, співпадали. Таким чином, було остаточно доведено, що:

носіями електричного струму в металах є вільні електрони.

Існування вільних електронів в металах можна пояснити таким чином: при утворенні кристалічних граток металу (в результаті зближення ізольованих атомів) валентні електрони, порівняно слабо пов'язані з атомними ядрами, відриваються від атомів металу, стають "вільними" і можуть переміщуватись по всьому об'єму. Таким чином, у вузлах кристалічних граток розташовуються іони металу, а між ними хаотично рухаються вільні електрони, утворюючи своєрідний електронний газ, який має, згідно з електронною теорією металів, властивості ідеального газу.

Співвідношення <и> і <v>

Електрони провідності при своєму русі зіштовхуються з іонами граток, внаслідок чого встановлюється термодинамічна рівновага між електронним газом і гратками. По теорії Друде – Лоренца, електрони мають ту ж саму енергією теплового руху, що і молекули одноатомного газу. Середня швидкість теплового руху електронів

(при м/с).

При накладенні зовнішнього електричного поля на металевий провідник крім теплового руху електронів виникає їх впорядкований рух, тобто виникає електричний струм. Середню швидкість <v> впорядкованого руху електронів можна оцінити по формулі j = ne<v> (при А/м² (гранично допустима густина для мідних провідників)), м^-3 середня швидкість <v> = 7,8 ·10^-4 м/с, тобто

.

Тому при обчисленнях результуючу швидкість (<v> + <и>) можна замінювати швидкістю <и>.