Металлы: два механизма электропроводности.

Как отмечалось выше (8.6), в металлах совсем немного свободных электронов – даже в меди, одном из лучших проводников, один свободный электрон приходится на полтора-два миллиона атомов [Г5]. Этими электронами и обеспечиваются обычные токи проводимости в металлах. Но не следует думать, что электрон в металлическом проводнике, подчиняясь приложенной разности потенциалов, способен продвинуться на всю длину этого проводника – с «отрицательного» его конца на «положительный» – оставаясь свободным. Атомы в металлах упакованы довольно плотно, так что в поперечном сечении проводника нет просветов, дающих лазейки для свободных электронов на всю длину проводника. Пронизывать атомы насквозь – этого электроны с малой энергией тоже не могут, из-за наличия в атомах сфер непроницаемости (6.5). Фактически, для свободных электронов с малой энергией, плотная упаковка атомов в твёрдом теле является препятствием, которое «в лоб» непреодолимо. Иначе в Природе не было бы твёрдых диэлектриков.

Но что тогда отличает от диэлектриков металлы, которые славятся своей электронной проводимостью? На наш взгляд, это отличие заключается в том, что структура металлов держится на переключаемых химических связях между атомами (8.6). При этом, возможность продвижения в металле свободного электрона к аноду реализуется, как это ни парадоксально, через потерю этой свободы.

Действительно, переключения направленных валентностей у атома металла и его ближайших соседей не могут быть согласованы идеально, поэтому в атомах металлического образца всегда имеется некоторый процент валентных связок «протон-электрон», которые являются временно свободными, т.е. не задействованными в химических связях. Свободная валентная связка «протон-электрон», имея квант теплового возбуждения, испытывает осцилляции зарядового разбаланса на частоте, соответствующей энергии этого кванта (7.2). Когда электрон из этой связки находится в «тепловом небытии», а протон из этой связки – в «тепловом бытии» (7.5), для находящегося рядом свободного электрона есть вероятность войти в область удержания атомарного электрона (6.4) и стать охваченным действием алгоритма, связующего его с протоном (6.4), т.е. войти в состав атома – с освобождением электрона, который занимал это место прежде. Этот новый свободный электрон, двинувшись к аноду, упрётся в следующий атом, где возможно повторение сценария – включение этого электрона в состав атома, с освобождением следующего электрона, и так далее. Продвижение электронов к аноду будет происходить по цепочкам «ротации кадров» между свободными и связанными электронами. Так, на наш взгляд, и работает механизм электронной проводимости в металлах. Интересно: эксперименты по измерению подвижности свободных электронов в металлах дают, что при протекании постоянного электрического тока, скорость перемещения роя электронов составляет миллиметры в секунду [П1,К9].

По логике нашего подхода, вероятность вышеописанного замещения атомарного электрона тем больше, чем дольше валентная связка «протон-электрон» пребывает в свободном состоянии. При увеличении температуры металлического образца, в нём увеличивается частота валентных переключений [Г6], отчего укорачиваются времена пребывания валентных связок «протон-электрон» в свободном состоянии – и, значит, затрудняется продвижение электронов в режиме «ротации кадров». Таким образом, электропроводность металлического образца будет зависеть от температуры. В условиях одной и той же разности потенциалов на его концах, при более высокой температуре через его поперечное сечение будет продвигаться, в среднем, меньшее количество электронов в единицу времени, т.е. сила тока электронов в нём будет меньше – это интерпретируется как увеличение омического сопротивления металлов с увеличением температуры.

Но металлы способны проводить электричество не только с помощью свободных электронов. Смотрите: если в проводнике течёт ток, то не всегда очевидно, зарядами какого знака он обеспечивается – ведь как отличить движение отрицательных зарядов «туда» от движения положительных зарядов «обратно»? А вот, есть замечательное явление – эффект Холла. Образец, через который пропускают ток, помещают в поперечное магнитное поле. Если ток в образце создаётся отрицательными зарядами, то, из-за действия силы Лорентца, они испытывают снос к той же боковой грани образца, к которой испытывают снос и положительные заряды, если ток создаётся ими. В холловской методике исключена эквивалентность тока отрицательных зарядов противотоку положительных зарядов, поэтому по холловской разности потенциалов любят определять знак доминирующих зарядов, отвечающих за электропроводность образца. Так, вот: оказалось, что есть металлы, в которых доминирует мобильное положительное электричество. Уже Поль [П1] называл два таких металла – цинк и кадмий. На сегодня таких металлов известно десятка полтора. Заметим, что когда мобильное положительное электричество в металле доминирует – это аномалия. А когда оно не доминирует, но всё-таки есть – это норма. Не хотелось бы Вам, дорогой читатель, задать академикам вопрос – а что представляют собой мобильные носители положительного электричества в металлах?

Наша же версия такова. Поскольку достоверно известно, что в металлах нет мобильных частиц, несущих положительный заряд, мы обратимся к модели переноса электричества без переноса вещества (9.1). Ненулевые эффективные заряды, в форме статических зарядовых разбалансов, имеются в валентных атомарных связках «протон-электрон» (7.5). При переключениях направленных валентностей в атомах металлов (8.6), состояния статических зарядовых разбалансов передаются из тех связок «протон-электрон», которые временно перестают быть валентными, в те, которые временно становятся валентными. А, по химическим связям, эти состояния могут передаваться с атома на атом (9.1). При отсутствии внешних электрических воздействий, общая картина таких подвижек зарядовых разбалансов в металлическом образце является хаотической: это движение неупорядоченно. При наличии же внешнего электрического воздействия, общее движение зарядовых разбалансов в металлическом образце приобретает ту или иную степень упорядоченности, что проявляется как нескомпенсированное движение электричества – и это без каких-либо подвижек вещества.