Свободные носители электрического заряда в металлах, жидкостях и газах в физике

Свободные носители электрического заряда в металлах, жидкостях и газах

Электрический ток в металлах.
Электрический ток в металлах обусловлен упорядоченным движением свободных электронов (электронов проводимости).
Положительные ионы участия в переносе заряда не принимают.

Электронная природа носителей тока в металлах объясняется следующим образом. Кристаллическая решётка металла состоит из положительно заряженных ионов, расположенных в узлах решётки, и электронов, свободно передвигающихся между узлами. Эти электроны — валентные электроны атомов металла, покинувшие свои атомы. Свободные электроны совершают беспорядочное движение по кристаллу, «не помня» уже, какому атому они принадлежали. Их называют также электронным газом. Конечно, при этом сумма всех положительных зарядов ионов решётки равна суммарному отрицательному заряду всех свободных электронов, так что металл остаётся незаряженным, или электро-нейтральным.

Не следует думать, что под действием электрического тока все электроны в проводнике устремляются в одном направлении. У них просто появляется преимущественное направление движения (вдоль поля), которое накладывается на хаотическое движение в отсутствие поля. При этом средняя скорость их движения составляет несколько миллиметров в секунду. А вот скорость распространения самого электрического поля — порядка м/с. С этой же скоростью распространяется электрический ток.

Объяснение многих свойств металлов, в частности их электрических свойств (закон Ома), даёт электронная теория металлов. Классическая электронная теория металлов основывается на представлении об электронах проводимости как об электронном газе, подобном идеальному атомарному газу молекулярной физики. В этой теории считается, что движение электронов подчиняется законам Ньютона, взаимодействием электронов между собой пренебрегают, а взаимодействие с положительными ионами решётки сводят только к соударениям.

Для объяснения закона Ома на основе классической электронной теории металлов необходимо найти выражение для средней скорости направленного упорядоченного движения электронов в электрическом поле напряжённостью и подставить в известную формулу для силы тока .

где — заряд электрона, — концентрация электронов, — площадь поперечного сечения проводника.

Электроны в металле, участвуя в тепловом движении, постоянно сталкиваются с ионами решётки. Так как масса электрона во много раз меньше массы иона, то после очередного столкновения все направления скорости равновероятны. Это означает, что начальная скорость после очередного столкновения может иметь любое направление, и значит, среднее значение вектора начальной скорости равно нулю, и начальная скорость не оказывает влияния на среднюю скорость направленного движения электронов. Это позволяет считать, что средняя скорость упорядоченного движения электронов равна произведению ускорения на среднее время движения электрона между двумя соударениями с ионами: . Используя второй закон Ньютона и выражение для напряжённости электрического поля, получим:

где — сила, действующая на электрон со стороны поля, — напряжение на концах проводника длиной .
Далее, подставляя полученное уравнение в выражение , получим:

Как видно из полученного выражения, сила тока пропорциональна напряжению, как это и следует из закона Ома. Это является следствием того, что средняя скорость направленного движения электронов прямо пропорциональна напряжённости электрического поля в металле.
Однако классическая электронная теория не в состоянии объяснить многие экспериментальные зависимости, например, зависимость сопротивления от температуры. Связано это с тем, что движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики, а не классической механики Ньютона.



Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:

Предмет физика

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Работа электрического тока. Закон Джоуля — Ленца в физике
Мощность электрического тока в физике
Электрический ток в газах в физике
Электрический ток в электролитах в физике