§ 29. Струм у металах

Ми вже знаємо, що носіями заряду у металах є вільні електрони. Звідки ж беруться вільні електрони в металах і як вони рухаються?

Метали у твердому стані мають кристалічну будову. За сучасними уявленнями, електрони, які є на зовнішніх орбітах атомів (це так звані валентні електрони), найслабше зв’язані з ядрами атомів. Ці електрони легко відриваються від атома, рухаються в проміжках між атомами і називаються «вільними електронами».

Для одновалентних металів на один атом (позитивний йон) припадає один вільний електрон.

Від'ємний заряд усіх вільних електронів за абсолютним значенням дорівнює позитивному заряду всіх йонів кристалічної ґратки.

Тому за звичайних умов метали електрично нейтральні (рис. 110). Розрахунки показують, що число вільних електронів у металі приблизно дорівнює 8,5 · IO²⁸ м:³.

Усі вільні електрони рівномірно розподілені по всьому об’єму металу і беруть участь в хаотичному поступальному тепловому русі, аналогічному тепловому руху молекул газу.

Але якщо в металі створити електричне поле, то вільні електрони почнуть рухатись напрямлено під дією електричного поля. Виникне електричний струм.

Подумайте і дайте відповідь

1.    Що являє собою електричний струм у металах?

2.    Який знак заряду у частинок, що напрямлено рухаються в металевому провіднику під дією електричного поля?

3.    Як пояснити, що за звичайних умов метал електрично нейтральний?

ПОГЛИБТЕ СВОЇЗНАННЯ

Термістори.

Термістори - або інша назва терморезистори - одні з самих простих напівпровідникових приладів, які призначені для вимірювання температури за значенням сили струму в колі із включеним в ньому термістором.

Випускаються термістори у вигляді стержнів, трубок, дисків або бусинок розмірами від декількох мікрометрів до декількох сантиметрів. Діапазон температур вимірювання від 170 до 570 К. Для наукових цілей існують термістори для вимірювання як дуже низьких (« 4 · 80 К) температур, так і дуже високих (« 1300 К).

Широкого використання термістори набули в схемах протипожежної безпеки. В кожній квартирі обов’язково є такий датчик температури - термістор, який сигналізує про небезпеку при підвищенні температури.

Розширте науковий кругозір

Яка швидкість електричного струму? Електричний струм - то є напрямлений рух електрично заряджених частинок, що можуть вільно переміщуватися під дією сил електричного поля (для металів - це рух від’ємно заряджених вільних електронів). Хоч швидкість руху окремих електронів протягом їх вільного пробігу (від зіткнення до зіткнення) величезна (понад 100 км/с), але швидкість упорядкованого переміщення електронів дуже мала. Весь час затримуючись і відхиляючись від «курсу», електрони переміщуються («дрейфують») вперед повільніше, ніж, скажімо, равлик. Так, середня швидкість равлика 1 мм/с, а електрон переміщується в напрямі проводу зі швидкістю близько 0,3 мм/с. Але чому ж достатньо увімкнути вимикач і вмить спалахує електрична лампа? Як же узгодити цю

суперечність - повільне переміщення електронів уздовж проводу і миттєве передавання сигналу? Річ в тім, що під швидкістю струму розуміють не швидкість напрямленого руху електронів, а швидкість поширення електричного поля, що зумовлює цей рух. А швидкість поширення електричного поля дорівнює 300 000 км/с!

Якщо хтось на кінці телеграфного проводу, скажімо в Ужгороді, змінить напру-

c. А ті заряди, які в цей момент перебували в Ужгороді, перемістилися б у Київ лише через 100 000 років.

Електричне поле поширюється майже миттєво, тому й спонукає всі вільні електрони до напрямленого руху майже одночасно в усьому провіднику. Наче б то по команді!

Із історії фізики: вчені і факти

Дослідні підтвердження природи електричного струму в металах.

Здавалося б, що все зрозуміло: носіями електричного струму в металах є вільні електрони!

Дослідне підтвердження це припущення отримало лише на початку XX ст.

Російські вчені Л.І. Мандельштам (1879-1944) і М.Д. Папалексі в 1913 р. виконали такий дослід: котушка з намотаним на неї дротом могла здійснювати крутильні коливання. До кінців дроту була приєднана телефонна трубка. При швидких крутильних коливаннях котушки навколо її осі виникав тріск у телефонній трубці. Це свідчило, що в металевому дроті виникає електричний струм, зумовлений інерційним рухом заряджених частинок.

В 1916 році американські фізики R Толмен (1881-1948) і Б. Стюарт удосконалили цей дослід, замінивши телефонну трубку на чутливий гальванометр (рис. 111). Дослід підтвердив, що носіями струму в металах є електрони.

Це матеріал з підручника Фізика 8 клас Шут