2015-05-13
2599
Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т. е. электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металла. Это представление о природе носителей тока в металлах основывается на электронной теории проводимости металлов, созданной немецким физиком П. Друде (1863—1906) и разработанной впоследствии нидерландским физиком X. Лоренцем, а также на ряде классических опытов, подтверждающих положения электронной теории.
Первый из таких опытов — опыт Рикке (1901), в котором в течение года электрический ток пропускался через три последовательно соединенных с тщательно отшлифованными торцами металлических цилиндра (Си, А1, Си) одинакового радиуса. Несмотря на то что общий заряд, прошедший через эти цилиндры, достигал огромного значения («3,5-106 Кл), никаких, даже микроскопических, следов переноса вещества не обнаружилось. Это явилось экспериментальным доказательством того, что ионы в металлах 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, слабо 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. Идея этих опытов (1913) и их качественное воплощение принадлежат российским физикам С. Л. Мандельштаму (1879—1944) и Н. Д. Папалекси (1880-1947). Эти опиты в 1916 г. были усовершенствованы и проведены американским физиком Р. Толмс-иом (1881 1948) и ранее шотландским физиком Ь Гпомртм (1828 1887). Ими экспериментально доказано, что носители токи в металлах имгкн uiрицин ш мрнд, а их удельный заряд приблизительно одинаков для всех исслг, «и.шш.м м. нов. По значению удельного заряда носителей электрического тока и ни опрсдг u<m ранее Р. Милликеном элементарному электрическому заряду была опрсдг пои масса. Оказалось, что значения удельного заряда и массы носителей тока движущихся в вакууме, совпадали. Таким образом, было окончательно док» носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.
Существование свободных электронов в металлах можно объяснить следущим 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 м< перемещаться по всему объему. Таким образом, в узлах кристаллической рот располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ, обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.
Электроны проводимости при своем движении сталкиваются с ионами рои и в результате чего устанавливается термодинамическое равновесие между электршп газом и решеткой. По теории Друде — Лоренца, электроны обладают шергией теплового движения, как и молекулы одноатомного газа. Поэтому, прнмг выводы молекулярно-кинетической теории можно найти среднюю скорость теплового движения электронов
которая для Т=300 К равна 1,1 *105 м/с. Тепловое движение электронов, являясь хаотическим, не может привести к возникновению тока. Электрический ток возникает в цепи практически одновременно с замыканием.
