Ви дізнаєтесь

- Як рухаються вільні електрони в металевих провідниках під дією електричного поля

Пригадайте

- Внутрішню будову твердих тіл

Природа електричного струму в металах. Як ми вже неодноразово зазначали, деякі електрони в металах легко залишають свій атом і стають вільними. Тепер потрібно з’ясувати: як рухаються вільні електрони в металевих провідниках? За відсутності у провіднику електричного поля електрони рухаються хаотично, подібно до того, як рухаються молекули газів (мал. 181, а). Саме тому сукупність вільних електронів у металах ще називають «електронним газом». У будь-який момент часу швидкості руху різних електронів відрізняються значенням і напрямом. Траєкторією руху електрона є довільна ламана (мал. 181, б).

За наявності у провіднику електричного поля електрони, зберігаючи свій хаотичний рух, починають зміщуватись у напрямі позитивного полюса джерела (мал. 182, а). Разом із безладним рухом електронів виникає і їх упорядкований рух. На малюнку 182, б схематично показано траєкторію руху одного електрона під дією електричного поля.

Електричний струм у металах (металевих провідниках) — це впорядкований рух електронів під дією електричного поля, яке створює джерело електричного струму.

Мал. 181. Рух вільних електронів за відсутності електричного поля: а — у кристалічній ґратці; б — траєкторія руху електрона

Мал. 182. Рух вільних електронів за наявності електричного поля: а — у кристалічній ґратці; б — траєкторія руху електрона

Електронна теорія провідності металів.

Дослідженнями, що стосуються електронної провідності металів, займались учені різних країн. Експериментально довели, що електричний струм у металах утворюється саме рухом електронів, російські вчені Л. І. Мандельштам і М. Д. Папалексі (1913 р.) і незалежно від них — американські фізики Р. Толмен і Т. Стюарт (1916 р.). Український учений А. Е. Малиновський представив свою інтерпретацію взаємодії вільних електронів і позитивних йонів у металах, зробив уточнення до теорії дослідів, які виконали Р. Толмен і Т. Стюарт. На підставі цих та багатьох інших дослідів утворилася класична теорія провідності металів, яку узагальнив німецький фізик П. Друде та розвинув нідерландський фізик Г. Лоренц (лауреат Нобелівської премії з фізики (1902 р., спільно з П. Зеєманом).

В основу класичної теорії провідності металів покладено такі положення:

1. Усі метали мають кристалічну будову. У вузлах кристалічної ґратки містяться йони металу, які здійснюють тепловий рух біля положень рівноваги.

2. У просторі між йонами хаотично рухаються електрони, сукупність яких називають електронним газом. Електронний газ утворюється електронами, що порівняно слабко зв’язані з атомними ядрами. У середньому кожен атом металу втрачає один електрон, тобто кількість електронів провідності в одиниці об’єму металу дорівнює кількості атомів в одиниці об’єму (n_е = n_а).

3. Унаслідок хаотичного руху електронів у разі відсутності електричного поля в металі немає переважного напряму переміщення зарядів.

4. Під дією електричного поля електрони починають напрямлено рухатися між йонами, що містяться у вузлах кристалічної ґратки, утворюючи електричний струм.

У результаті досліджень вдалось оцінити швидкість упорядкованого руху електронів у металевому провіднику. Це значення має порядок 10^-4 м/с. Як видно, це дуже мале значення. З практики відомо, що всі електроприлади, увімкнені в коло, починають працювати відразу після замикання кола, хоч би на якій відстані від перемикача вони розміщувалися. Звідси випливає, що швидкість поширення електричного струму в провіднику і швидкість упорядкованого руху електронів у ньому — це не одне й те саме!

Згідно з електронною теорією цей факт пояснюється таким чином. Як відомо, тепловий рух електронів не припиняється ніколи, тому електрони з величезними швидкостями рухаються в усіх напрямках. У разі створення на кінцях провідника електричного поля, на електрони починає діяти електрична сила. Ця сила на тлі хаотичного руху електронів спричинює їх повільне зміщення в напрямку електричного поля. А швидкість поширення самого електричного поля в провіднику (як і швидкість поширення будь-якого електромагнітного випромінювання) становить близько 300 000 км/с.

Підбиваємо підсумки

Електричний струм у металах (металевих провідниках) — це впорядкований рух електронів під дією електричного поля, яке створює джерело електричного струму.

Швидкість поширення електричного струму в провіднику і швидкість упорядкованого руху електронів у ньому — це не одне й те саме: швидкість упорядкованого руху електронів за наявності електричного поля — 10^-4 м/с; а швидкість поширення самого електричного поля в провіднику — близько 300 000 км/с.

Я знаю, вмію й розумію

1. Як рухаються електрони у провіднику в разі відсутності в ньому електричного поля та за його наявності?

2. Поясніть природу електричного струму в металах.

3. Сформулюйте основні положення класичної теорії провідності металів.

ПОЯСНІТЬ

Як довести, що електричний струм у металах виникає внаслідок руху електронів, а не руху йонів?