§ 35. Електричний струм у металах

Ви дізнаєтесь

Електричний струм у металах

Природа електричного струму в металах. Як ми вже неодноразово зазначили, електрони в металах легко залишають свій атом і стають вільними. Тепер залишається 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. 172, 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 електронів є довільні ламані (мал. 172, б).

За наявності у провіднику електричного поля електрони, зберігаючи свій хаотичний рух, починають зміщуватись у напрямі позитивного полюса джерела (мал. 173, а). Разом із безладним рухом електронів виникає і їх упорядкований рух. На малюнку 173, б схематично показано траєкторію руху одного електрона під дією електричного поля.

K=    I

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

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 JI. І. Мандельштам і М. Д. Папалексі (1913р.)і незалежно від них — американські фізики Р. Толмен і Т. Стюарт (1916 р.). Український учений А. Е. Малиновський (1884-1937) 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 Ннобелівської 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’ємі' (п_с =п_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 IO 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 впорядкованого 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 фоні 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.

ч 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 — IO ⁴ м/с; а швидкість поширення самого електричного поля в провіднику — близько 300 000 км/с.

А знаю, вмію та можу поленими

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

2.    Поясніть природу електричного струму в металах.

З*. Сформулюйте основні положення класичної теорії провідності металів.

ПОЯСНІТЬ

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

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Засєкіна