6.8. Элементарная классическая теория электропроводности металлов

Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т.е. электроны слабо связанные с ионами кристаллической решетки металла. Это представление о носителях тока в металлах основывается на электронной теории проводимости металлов, созданной немецким физиком П. Друде и разработанной нидерландским физиком Х. Лоренцем.

Существование свободных электронов в металлах можно объяснить следующим образом: при образовании кристаллической решетки металлов валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами отрываются от атомов металла, становятся «свободными» и могут перемещаться по всему объему, образуя своеобразный электронный газ, обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.

Электроны проводимости при своем движении сталкиваются с ионами решетки, в результате чего устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. По теории Друде-Лоренца, электроны обладают такой же энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного газа. Тепловое движение электронов, являясь хаотическим, не может привести к возникновению тока. При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник, кроме теплового движения электронов, происходит их упорядоченное движение – возникает электрический ток. Электрический ток возникает в цепи практически одновременно с ее замыканием, поскольку замыкание электрической цепи влечет за собой распространение электрического поля со скоростью света. ( м/с).

Классическая теория электропроводности при малой концентрации электронов проводимости и высокой температуре дает правильные качественные результаты и является простой и наглядной. Однако, имеются расхождения теории с опытом, которые объясняются тем, что движение электронов в металлах подчиняются не законам классической механики, а законам квантовой механики и, следовательно, поведение электронов проводимости надо описывать не статистикой Максвелла-Больцмана, а квантовой статистикой. Поэтому объяснить затруднения элементарной классической теории электропроводности металлов можно лишь квантовой теорией, которая будет рассмотрена в дальнейшем.

Контрольные вопросы

1. Что называется электрическим током и каковы условия возникновения тока проводимости? Что принимают за направление тока?

2. Что называется силой и плотностью тока? В каких единицах они измеряются?

3. Какие силы называются электростатическими (кулоновскими)? Сторонними?

4. Каков физический смысл разности потенциалов, электродвижущей силы и напряжения на участке цепи? Что такое электродвижущая сила (ЭДС) источника тока?

5. Запишите и сформулируйте закон Ома для участка цепи и для замкнутой цепи.

6. Запишите и сформулируйте правила Кирхгофа. Сформулируйте правила для токов и ЭДС при применении правил Кирхгофа.

7. Запишите и сформулируйте закон Ома и закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

8. Как сопротивление зависит от линейных размеров проводника? Что такое удельное сопротивление и удельная проводимость проводника? В каких единицах они измеряются?

9. Как зависит сопротивление металлов от температуры? В чем состоит явление сверхпроводимости?

10. Как элементарная классическая теория объясняет электропроводность металлов?

ЛЕКЦИЯ 7
	ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ