Электрические токи в металлах, вакууме и газах

  Носителями  тока  в 

металлах  являются  свободные  электроны,  т.  е.  электроны,  не  связанные  с 

ионами  кристаллической  решетки  металла.  Это  представление  о  природе 

носителей  тока  в  металлах  основывается  на  электронной  теории 

проводимости,    созданной  немецким  физиком  П.  Друде  (1863—1906)  и 

доработанной впоследствии нидерландским физиком X. Лоренцем, а также на 

ряде классических опытов, подтверждающих положения электронной теории. 

Первый  из  таких  опытов—опыт  немецкого  физика  Рикке    (1901),  в 

котором  в  течение  года  электрический  ток  пропускался  через  три 

последовательно  соединенных  металлических  цилиндра  (Си,  А1,  Си)  с 

тщательно отшлифованными  торцами одинакового радиуса. Несмотря  на то, 

что  общий  заряд,  прошедший  через  эти  цилиндры,  достигал  огромного 

значения          (



3,5

10

6

вещества не обнаружилось. Это явилось экспериментальным доказательством 

того, что в металлах  ионы не участвуют в переносе электричества, а перенос 

заряда в металлах осуществляется частицами, которые являются общими для 

всех металлов. Такими частицами  могли быть открытые в 1897 г. английским 

физиком Д. Томсоном  (1856-1940) электроны. 

Для  доказательства этого предположения необходимо было определить 

знак и величину   удельного заряда носителей (отношение заряда носителя к 

его массе). Идея подобных  опытов заключалась в следующем: если в металле 

имеются подвижные, не связанные с решеткой носители тока, то при резком 

торможении проводника эти частицы  должны по инерции смещаться вперед, 

как  смещаются  вперед  пассажиры,  стоящие    в  вагоне  при  его  торможении. 

Результатом смещения зарядов должен быть импульс тока. По направлению 

тока можно определить знак носителей тока, а зная размеры  и сопротивление 

проводника,  можно  вычислить  удельный  заряд  носителей.  Эти  опыты  были  

проведены шотландским физиком Б. Стюартом (1828—1887) и позже, в 1916 

г. американским физиком  Р. Толменом (1881—1948). Ими экспериментально 

доказано,  что  носители  тока  в  металлах  имеют  отрицательный  заряд,  а  их 

удельный заряд приблизительно одинаков для всех исследованных металлов. 

По  значению  удельного  заряда  носителей  электрического  тока  и  по 

определенному ранее Р. Милликеном элементарному электрическому заряду 

была определена их масса. Оказалось, что значения удельного заряда и массы 

носителей  тока  и  электронов,  движущихся  в  вакууме,  совпадали.  Таким 

образом, было окончательно доказано, что носителями электрического тока в 

металлах являются свободные  электроны. 

Существование  свободных  электронов  в  металлах  можно  объяснить 

следующим  образом: при образовании  кристаллической  решетки  металла  (в 

результате  сближения  изолированных  атомов)  валентные  электроны, 

сравнительно  слабо  связанные  с  атомными    ядрами,  отрываются  от  атомов 

металла,  становятся  «свободными»  и  могут  перемещаться  по  всему  объему. 

Таким  образом,  в  узлах  кристаллической  решетки  располагаются  ионы 

металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны.  

Основные  положения  теории

. 

Согласно  классической  теории 

электропроводности свободные электроны металла можно рассматривать как 

электронный  газ,  подчиняющийся  всем  законам  одноатомного  идеального 

газа.  Электроны  проводимости  при своем  движении  сталкиваются  с  ионами 

решетки,  в  результате  чего  устанавливается  термодинамическое  равновесие 

между электронным газом и решеткой. По теории Друде-Лоренца, электроны 

обладают  такой  же  энергией  теплового  движения,  как  и  молекулы 

одноатомного  газа.  Поэтому,  применяя  выводы  молекулярно-кинетической 

теории,  можно  найти  среднюю  скорость  теплового  движения  электронов

 



жүктеу/скачать 0,75 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: