Упорядоченное движение свободных электронов между ионами кристаллической решетки

Электронная проводимость металлов. Зависимость

Сопротивления проводника от температуры.

Сверхпроводимость.

   Электрический ток в металлических проводниках – это

упорядоченное движение свободных электронов между ионами кристаллической решетки.

    Приведем факты, подтверждающие справедливость сказанного и опираясь на эти факты, углубим имеющиеся представления об электронной проводимости металлов.

ОПЫТ К.РИККЕ. немецкий физик К. Рикке в 1901 г. проделал следующий

опыт  Три предварительно взвешенных цилиндра (два медных и один алюминиевый) Рикке  сложил отшлифованными торцами так, что  алюминиевый оказался между медными. Затем цилиндры были подключены в цепь     постоянного тока через них в течение года  проходил большой ток                            питавший    городскую трамвайную сеть. За это время через цилиндры прошел    электрический    заряд, равный приблизительно 3,5 млн Кл.

 Вторичное взвешивание цилиндров, проводившееся с точностью до 0,03 мг, показало, что масса цилиндров в результате опыта не изменилась. При исследовании соприкасающихся торцов под микроскопом было установлено, что имеются лишь незначительные следы проникновения металлов, которые не превышают результатов обычной диффузии атомов в твердых телах. Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют.

     Для выяснения природы носителей тока в металлах физики Мандельштам и Папалекси провели в 1913 году оригинальный опыт. Идея опыта сводилась к тому, чтобы обнаружить электрический ток при внезапной остановке быстро движущегося проводника. При резком торможении носители тока будут продолжать двигаться по инерции. Поэтому в замкнутой цепи появится кратковременный ток, который можно будет обнаружить с помощью гальванометра. По направлению тока можно определить знак движущихся зарядов. Было доказано, что носителями тока в металлическом проводнике могут быть только электроны.

     Немецкий физик П. Друде в 1900 г. Опираясь на представления об электрическом токе в металлах как упорядоченном движении свободных электронов между ионами кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля, создал теорию электропроводности металлов. В основе этой теории лежат следующие допущения:

· свободные электроны в металле ведут себя как молекулы идеального газа; «электронный газ» подчиняется законам идеального газа;

· движение свободных электронов в металле подчиняется законам классической механики Ньютона;

· свободные электроны в процессе их хаотического движения сталкиваются не между собой (как молекулы идеального газа), а с ионами кристаллической решетки;

· при столкновении электронов с ионами электроны передают ионам свою кинетическую энергию полностью.

Теория Друде – весьма упрощенное представление об электронной проводимости в металле как об идеальном электронном газе. Она не раскрывает природу зависимости электросопротивления от абсолютной температуры. И все же на основе этой теории удалось объяснить основные законы электрического тока в металлах.

    

Каждый проводник ограничивает силу тока в цепи. Но каков механизм этого явления? Какова природа электрического сопротивления металлических проводников?

Давайте еще раз прочтем основные допущения теории и попробуем ответить на вопрос, что же происходит в металлическом проводнике под действием внешнего электрического поля?

ОТВЕТ: с точки зрения электронной теории Друде, электроны, дрейфуя под действием внешнего электрического поля, вдоль поликристаллического проводника сталкиваясь с ионами кристаллической решетки, передают им полученную от поля энергию. В результате после каждого из соударений скорость их упорядоченного движения под действием внешнего электрического поля делается равной нулю. Это приводит к ограничению протекающего по проводнику тока.

СДЕЛАЕМ ВЫВОД: чем же обусловлено электрическое сопротивление металлов?

ОТВЕТ: с точки зрения электронной теории электрическое сопротивление металлов обусловлено соударениями свободных электронов с ионами кристаллической решетки.