А совокупность свободных электронов в кристаллической решётке металла называют электронным газом

Теория

В металлах носителями заряда являются свободные электроны. Наряду с металлами хорошими проводниками являются водные растворы или расплавы электролитов. Заряженные частицы, обеспечивающие существование электрического тока в электролитах, образуются в результате электролитической диссоциации, то есть распада молекул растворяемого вещества на ионы под действием молекул растворителя. Иными словами, в электролитах носителями заряда являются положительные и отрицательные ионы.

При определённых условиях газтакже может являться хорошим проводником электрического тока. Носителями тока в газах выступают ионы и электроны.

Возможен ли ток в вакууме? Для начала, давайте вспомним, что вакуум — это такое состояние газа в сосуде, при котором длина свободного пробега заряженных частиц превышает размеры сосуда. Проще говоря, вакуум — это идеальный изолятор, так как в нём отсутствуют свободные носители заряда.

Однако, если в сосуд с вакуумом поместить два электрода, один из которых — это подогреваемый спиралью катод, а второй — холодный анод, включённый в электрическую цепь, то электроны, вырвавшиеся с поверхности катоды, придут в упорядоченное движение и цепь замкнётся. Следовательно, носителями тока в вакууме являются электроны.

В природе существуют вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками — это полупроводники. В них носителями тока являются свободные электроны и дырки.

Сегодня мы рассмотрим электронную проводимость металлов. Впервые она была экспериментально подтверждена немецким физиком-экспериментатором Эдуардом Рикке в 1901 году. Суть его опыта достаточно проста. Он взял проводник, состоящий из трёх отполированных и плотно прижатых друг к другу двух медных и одного алюминиевого цилиндров известной массы, и в течение года пропускал по ним ток одного и того же направления. За это время через проводник прошёл чудовищный заряд — более чем 3,5 МКл. После завершения опыта, Рикке опят взвесил цилиндры. Оказалось, что их массы остались неизменными. Более того, в местах контакта цилиндров также никаких изменений не произошло. Этот, на первый взгляд, простой эксперимент послужил доказательством того, что перенос заряда при прохождении тока в металлах не сопровождается химическими процессами и переносом вещества, а осуществляется частицами, которые являются общими для всех металлов, — электронами.

В 1900—1904 гг., немецкий физик Пауль Друде и голландский физик Хендрик Лоренц разработали классическую электронную теорию проводимости металлов. Согласно этой теории любой металлический проводник можно рассматривать как физическую систему, состоящую из двух подсистем: свободных электронов с концентрацией ~10²⁸ м^–3 и положительно заряженных ионов, колеблющихся около положений равновесия.

Появление свободных электронов в металлическом кристалле упрощённо объяснить можно так. Электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов, слабо связаны со своими ядрами. А при образовании кристалла электроны начинают взаимодействовать не только со своими ядрами, но и с ядрами соседних атомов. В результате внешние электроны отрываются и могут двигаться по всему кристаллу в любом направлении, подобно частицам идеального газа. Эти электроны и называются свободными или электронами проводимости.

А совокупность свободных электронов в кристаллической решётке металла называют электронным газом.

Пусть электрон движется с ускорением в направлении, противоположном направлению напряжённости электрического поля. Так как движение электрона подчиняется законам классической механики, то его ускорение мы можем определить на основании второго закона Ньютона:

В записанной формуле m ₀ — это масса электрона, а F — это постоянная сила, действующая на электрон со стороны электрического поля. Она равна произведению заряда электрона на напряжённость электрического в проводнике.

Тогда модуль средней скорости направленного движения электрона (она называется дрейфовой скоростью) линейно возрастает со временем:

Здесь t * — это усреднённое время между двумя последовательными столкновениями электрона с ионами кристаллической решётки.

Дрейфовая скорость электрона не увеличивается в дальнейшем со временем, так как при столкновении с ионами кристаллической решётки электрон передаёт им кинетическую энергию, приобретённую в электрическом поле. Потом он опять ускоряется и процесс повторяется. В результате дрейфовая скорость электрона оказывается пропорциональной напряжённости электрического поля в проводнике.

Поскольку электрическое поле внутри однородного прямолинейного проводника с током однородное, то модуль напряжённости этого поля равен отношению напряжения между его концами к длине проводника:

Тогда модуль средней скорости направленного движения электронов пропорционален напряжению между концами проводника: υ ~ U.

Теперь давайте с вами вспомним, что сила тока в проводнике пропорциональна модулю средней скорости направленного движения электронов:

Но, как мы показали с вами выше, дрейфовая скорость пропорциональна разности потенциалов на концах проводника. Следовательно, сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника: I ~ U. В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе классической электронной теории проводимости металлов.

Для закрепления материала решим  небольшую задачу. Как изменится дрейфовая скорость электронов в проводнике, если при неизменной площади поперечного сечения и разности потенциалов на его концах, увеличить длину этого проводника в три раза?

 

Задание на дом:

Проработать конспект по ссылке: https://www.youtube.com/watch?v=KrkIjLIDvkI

Выполнить конспект урока в тетради, читать §105-106

Расписать буквенные обозначения физических величин, входящих в формулы, их названия и размерности

Записать пример решения задачи

Пройти онлайн- тест https://www.onlinetestpad.com/ru/testview/420293-elektricheskaya-provodimost-razlichnykh-veshhestv-sverkhprovodimost

 

Фото работ прислать на электронную почту: helenkha18@ mail.ru

 

Уровни учебных достижений	Оценка	Критерии оценивания учебных достижений
Недостаточный	1	Отсутствует ответ на вопрос, задание и т.д.
Начальный	2	Ученик (ученица) показывает непонимание основного содержания учебного материала или допускает существенные ошибки, которые не может исправить при наводящих вопросах учителя.
Средний	3	Ученик (ученица) с помощью учителя описывает явление или его части без объяснений соответствующих причин, называет физические явления, различает буквенные обозначения отдельных физических величин, знает единицы измерения отдельных физических величин и формулы из темы, которая изучается.
Достаточный	4	Ученик (ученица) может объяснять физические явления, исправлять допущенные неточности, обнаруживает знание и понимание основных положений (законов, понятий, формул, теорий), дает полный и правильный ответ; материал излагает в логической последовательности, при этом допускает две-три несущественные ошибки, исправляет ошибки по требованию учителя.
Высокий	5	Ученик (ученица) свободно владеет изученным материалом, умело использует физическую терминологию, умеет обрабатывать научную информацию: находить новые факты, явления, идеи, самостоятельно использовать их в соответствии с поставленной целью, дает самостоятельно полный и правильный ответ; материал излагает в логической последовательности, литературным языком; при этом допускает одну-две несущественные ошибки, которые самостоятельно исправляет в ходе ответа.