Природа носителей тока в металлах

Носители тока в металлах – свободные электроны (электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки). Это представление основывается на электронной теории проводимости металлов, а также на ряде опытов, подтверждающих ее положения.

Опыт Рикке

Электрический ток пропускался в течение года через три последовательно соединенных с тщательно отшлифованными торцами цилиндра (медь, алюминий, медь) одинакового радиуса. В результате, никаких, даже микроскопических следов переноса вещества не обнаружилось: следовательно, ионы в металлах не участвуют в переносе электричества, а перенос заряда в металлах осуществляется частицами, которые являются общими для всех металлов. Такими частицами могли быть открытые Д. Томсоном (1897 г) электроны.

Опыты Стюарта и Толмена

(идея Мандельштама и Папалекси)

Катушка с большим числом витков, замкнутая на чувствительный гальванометр, приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси, а затем резко тормозилась.

Если в металле имеются подвижные, слабо связанные с решеткой носители тока, то при резком торможении проводника эти частицы должны по инерции смещаться вперед, как смещаются вперед пассажиры, стоящие в вагоне при его торможении. Результатом смещения зарядов должен быть импульс тока, что и наблюдалось: по направлению тока можно определить знак носителей тока, а зная размеры и сопротивление проводника, можно вычислить удельный заряд носителей. Оказалось, что значения удельного заряда и массы носителей тока и электронов, движущихся в вакууме, совпали. Таким образом, было окончательно доказано, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.

В узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ, обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.

По теории Друде-Лоренца электроны обладают такой же энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного газа. Средняя скорость теплового движения электронов определяется по формуле

м/с(при Т=300К).

Тепловое движение электронов, являясь хаотическим, не может привести к возникновению тока. При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, т.е. возникает электрический ток. Среднюю скорость упорядоченного движения электронов можно оценить по формуле

ϳ = ne

при плотности тока ϳ =10⁷ А/м²(допустимая для медных проводников) n = 8∙ 10²⁸ м^-3, = 7,8 ∙10^-4 м/с. Значит, << т.е. даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов, обуславливающего электрический ток, значительно меньше скорости их теплового движения. Поэтому при вычислениях результирующую скорость ( + ) можно заменять скоростью теплового движения .

Электромагнетизм

Магнитное поле и его характеристики

Обнаружение магнитного поля

Магнитное поле – силовое поле в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты.

Магнитное поле обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током или постоянные магниты.

Характерная особенность магнитного поля – магнитное поле создается только движущимися зарядами и действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды.

Электрическое поле создается и действует как на неподвижные, так и подвижные заряды.

Характер воздействия магнитного поля на ток зависит от формы проводника, по которому течет ток, от расположения проводника и от направления тока.

Чтобы охарактеризовать магнитное поле, надо рассмотреть его действие на определенный ток. Для исследования магнитного поля используется контур, линейные размеры которого малы по сравнению с расстоянием до токов, образующих магнитное поле. Ориентация контура в пространстве характеризуется направлением нормали к контуру. Направление нормали определяется правилом правого винта: за положительное направление нормали принимается направление поступательного движения винта, головка которого вращается в направлении тока, текущего в рамке.

За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положительная нормаль к свободно подвешенной рамке с током, или направление, совпадающее с направлением силы, действующей на северный полюс магнитной стрелки, помещенный в данную точку. Следовательно, на магнитную стрелку действует пара сил, поворачивающая её так, чтобы ось стрелки, соединяющая южный полюс с северным, совпадала с направлением поля.