Фізична природа електропровідності

Класична електронна теорія металів представляє твердий провідник увигляді системи, що складається з вузлів кристалічної іонної грати, усерединіякої знаходиться електронний газ з колективізованих (вільних)електронів. У вільний стан від кожного атома металу переходить відодного до двох електронів. До електронного газу застосовувалися уявлення ізакони статистики звичайних газів. При вивченні хаотичного (теплового) іспрямованого під дією сили електричного поля руху електронівбув виведений закон Ома. При зіткненнях електронів з вузламикристалічної решітки енергія, накопичена при прискоренні електронів велектричному полі, передається металевій основі проводчіка, внаслідокчого він нагрівається. Розгляд цього питання призвело до висновку закону

Джоуля-Ленца. Таким чином, електронна теорія металів дала можливістьаналітично описати і пояснити знайдені раніше експериментальним шляхомосновні закони електропровідності і втрат електричної енергії вметалах. Виявилось можливим також пояснити і зв'язок міжелектропровідність і теплопровідність металів. Крім того, деякідосліди підтвердили гіпотезу про електронний газ в металах, а саме:

1. При тривалому пропущенні електричного струму через ланцюг, що складаєтьсяз одних металевих провідників, не спостерігається проникнення атоміводного металу в інший.

2. При нагріванні металів до високих температур швидкість теплового рухувільних електронів збільшується, і найбільш швидкі з них можутьвилітати з металу, долаючи сили поверхневого потенційногобар'єру.

3. У момент несподіваної зупинки швидко рухався провідникавідбувається зміщення електронного газу за законом інерції в напрямкуруху. Зміщення електронів призводить до появи різниці потенціалів накінцях загальмованому провідника, і стрілка підключається до нихвимірювального приладу відхиляється за шкалою.

4. Досліджуючи поведінку металевих провідників у магнітному полі,встановили, що внаслідок викривлення траєкторії електронів вметалевої пластинки, вміщеній у поперечне магнітне поле, з'являєтьсяпоперечна ЕРС і змінюється електричний опір провідника.

Однак виявилися й суперечності деяких висновків теорії з досвідченимиданими. Вони складалися в розбіжності температурної залежності питомоїопору, що спостерігається на досвіді і що випливає з положень теорії; вневідповідність теоретично отриманих значень теплоємності металівдосвідченим даними. Видимий теплоємність металів менше теоретичної татака, як ніби електронний газ не поглинає теплоту при нагріванніметалевого провідника. Ці суперечності вдалося подолати,розглядаючи деякі положення з позицій квантової механіки. На відміну відкласичної електронної теорії в квантової механіки приймається, щоелектронний газ в металах при звичайних температурах знаходиться в станівиродження. У цьому стані енергія електронного газу майже не залежить відтемператури, тобто тепловий рух майже не змінює енергію електронів.

Тому на нагрів електронного газу теплота не витрачає, що івиявляється при вимірюванні теплоємності металів. У стан,аналогічне звичайним газів, електронний газ приходить при температурі порядкутисяч кельвінів. Представляючи метал як систему, в якій позитивнііони скріплюються за допомогою вільно електронів, що рухаються, легко зрозумітиприроду всіх основних властивостей металів: пластичності, Ковкість, гарноютеплопровідності і високої електропровідності.