Kokios yra metalų elektroninio laidumo ypatybės. Elektroninis metalų laidumas – Knowledge Hypermarket

Elektroninis metalų laidumas

pradžioje buvo sukurta klasikinė elektroninė metalų laidumo teorija (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), kuri paprastai ir vaizdžiai paaiškino daugumą metalų elektrinių ir šiluminių savybių. Panagrinėkime kai kurias šios teorijos nuostatas.

Laisvieji elektronai

Metalinį laidininką sudaro:

1) teigiamo krūvio jonai, svyruojantys aplink pusiausvyros padėtį, ir

2) laisvieji elektronai, galintys judėti per visą laidininko tūrį.

Taigi, elektrines savybes metalų yra dėl to, kad juose yra laisvųjų elektronų, kurių koncentracija yra 1028 m–3, o tai maždaug atitinka atomų koncentraciją. Šie elektronai vadinami laidumo elektronais. Jie susidaro pašalinus juos iš metalo atomų valentiniai elektronai. Tokie elektronai nepriklauso jokiam konkrečiam atomui ir gali judėti per visą kūno tūrį. Metalo nesant elektrinis laukas laidumo elektronai chaotiškai juda ir susiduria, dažniausiai su jonais kristalinė gardelė(1 pav.). Šių elektronų visuma apytiksliai gali būti laikoma tam tikra elektronų dujos, pagal įstatymus idealios dujos. Vidutinis elektronų šiluminio judėjimo greitis kambario temperatūroje yra maždaug 105 m/s.

1 pav

Elektros srovė metaluose

Metalinės kristalinės gardelės jonai nedalyvauja kuriant srovę. Jų judėjimas praeinant srovei reikštų medžiagos perkėlimą išilgai laidininko, kurio nepastebima. Pavyzdžiui, E. Riecke (1901) eksperimentuose masė ir cheminė sudėtis laidininkas nepasikeitė, kai srovė praėjo metus.

Eksperimentinis įrodymas Tai, kad srovę metaluose sukuria laisvieji elektronai, įrodė L.I. Mandelstamas ir N.D.Papaleksi (1912, rezultatai neskelbti), taip pat T. Stewart ir R. Tolman (1916). Jie atrado, kad staiga sustojus greitai besisukančiai ritei, ritės laidininke atsiranda elektros srovė, kurią sukuria neigiamą krūvį turinčios dalelės – elektronai.

Vadinasi, elektros srovė metaluose yra kryptingas laisvųjų elektronų judėjimas.

Kadangi metaluose susidaro elektros srovė laisvųjų elektronų, tada metalinių laidininkų laidumas vadinamas elektroniniu laidumu.

Elektros srovė metaluose atsiranda veikiant išoriniam elektriniam laukui. Šiame lauke esančius laidumo elektronus veikia elektrinė jėga, suteikiant jiems pagreitį, nukreiptą priešinga lauko stiprumo vektoriui kryptimi. Dėl to elektronai įgauna tam tikrą papildomą greitį (tai vadinama dreifu). Šis greitis didėja tol, kol elektronas nesusiduria su atomu metalinėje kristalinėje gardelėje. Tokių susidūrimų metu elektronai praranda savo kinetinės energijos perteklių, perduodami ją jonams. Tada elektronai vėl greitinami elektrinio lauko, vėl lėtinami jonais ir pan. Vidutinis elektronų dreifo greitis yra labai mažas, apie 10–4 m/s.

Dabartinis sklidimo greitis ir dreifo greitis nėra tas pats dalykas. Srovės sklidimo greitis lygus elektrinio lauko sklidimo greičiui erdvėje, t.y. 3⋅108 m/s.

Susidūrę su jonais laidumo elektronai dalį kinetinės energijos perduoda jonams, dėl to padidėja kristalinės gardelės jonų judėjimo energija, taigi, laidininkas įkaista.

Metalų atsparumas

Metalų varža paaiškinama laidumo elektronų susidūrimais su kristalinės gardelės jonais. Akivaizdu, kad šiuo atveju kuo dažniau tokie susidūrimai įvyksta, t. y. kuo trumpesnė vidutinė elektrono laisvos kelionės tarp susidūrimų laikas τ, tuo didesnis varža metalo

Savo ruožtu laikas τ priklauso nuo atstumo tarp gardelės jonų, jų virpesių amplitudės, elektronų sąveikos su jonais pobūdžio ir elektronų šiluminio judėjimo greičio. Didėjant metalo temperatūrai, didėja jonų virpesių amplitudė ir elektronų šiluminio judėjimo greitis. Taip pat daugėja kristalinės gardelės defektų. Visa tai veda prie to, kad kylant metalo temperatūrai dažniau įvyks elektronų susidūrimai su jonais, t.y. laikas τ mažėja, o metalo savitoji varža didėja.

Mandelštamo ir Papaleksi eksperimentas aiškinantis elektrono judėjimą

Jeigu elektronas turi masę, tai jo masė arba gebėjimas judėti pagal inerciją turėtų pasireikšti visur, ne tik elektriniame lauke. Rusijos mokslininkai L. I. Mandelštamas (1879-1949; radiofizikų mokyklos įkūrėjas) ir N. D. Papaleksi (1880 - 1947; didžiausias sovietų fizikas, akademikas, SSRS mokslų akademijos sąjunginės radiofizikos ir radijo inžinerijos mokslinės tarybos pirmininkas) atliko originalų eksperimentą 1913 m. Jie paėmė vielos ritę ir pradėjo ją sukti įvairiomis kryptimis.

Jie suksis, pavyzdžiui, pagal laikrodžio rodyklę, tada staiga sustos ir tada atgal.

Jie samprotavo maždaug taip: jei elektronai tikrai turi masę, tada, kai ritė staiga sustoja, elektronai kurį laiką turėtų judėti inercija. Elektronų judėjimas išilgai vielos yra elektros srovė. Atsitiko taip, kaip planavome. Prie laido galų prijungėme telefoną ir išgirdome garsą. Kadangi telefone girdimas garsas, juo teka srovė.

Mandelštamo ir Papaleksi patirtį 1916 metais pakartojo amerikiečių mokslininkai Tolmanas ir Stewartas. Jie taip pat susuko ritę, bet vietoj telefono prie jo galų prijungė prietaisą įkrovai matuoti. Jiems pavyko ne tik įrodyti elektronų masės egzistavimą, bet ir ją išmatuoti. Tolmano ir Stewarto duomenis tada daug kartų tikrino ir patikslino kiti mokslininkai, o dabar žinote, kad elektrono masė yra 9,109 10-31 kilogramas.

Rengdami šiuos eksperimentus rėmėmės tokia mintimi. Jei metale yra laisvų krūvių, turinčių masę, jie turi paklusti inercijos dėsniui. Greitai judantis laidininkas, pavyzdžiui, iš kairės į dešinę, yra šia kryptimi judančių metalo atomų rinkinys, kuris kartu neša laisvuosius krūvius. su jais. Kai toks laidininkas staiga sustoja, jo sudėtyje esantys atomai sustoja; laisvieji krūviai pagal inerciją turi toliau judėti iš kairės į dešinę, kol įvairios kliūtys (susidūrimai su sustojusiais atomais) juos sustabdys. Atsirandantis reiškinys panašus į tai, kas stebima staiga sustojus tramvajui, kai „palaidi“ daiktai ir neprisikabinę žmonės inercija kurį laiką toliau juda į priekį.

Taigi, trumpas laikas laidininkui sustojus, jame esantys laisvieji krūviai turi judėti viena kryptimi. Tačiau krūvių judėjimas tam tikra kryptimi yra elektros srovė. Vadinasi, jei mūsų samprotavimai teisingi, tai po staigaus laidininko sustojimo turėtume tikėtis jame trumpalaikės srovės atsiradimo. Šios srovės kryptis leis mums spręsti apie ženklą. Įkrauti. Jei jie judės šia kryptimi neigiami krūviai, tada reikia stebėti srovę kryptimi iš dešinės į kairę ir atvirkščiai. Gaunama srovė priklauso nuo krūvių ir jų nešėjų gebėjimo išlaikyti savo judėjimą inercija daugiau ar mažiau ilgą laiką, nepaisant trukdžių, ty nuo jų masės. Taigi šis eksperimentas ne tik leidžia mums patikrinti, ar egzistuoja prielaida nemokami mokesčiai, bet ir nustatyti pačius krūvius, jų ženklą bei jų nešėjų masę (tiksliau, krūvio ir masės santykį guobos).

Praktiškai įgyvendinant eksperimentą pasirodė patogiau naudoti ne progresyvų, o sukamasis judėjimas dirigentas. Tokio eksperimento schema parodyta 2 pav.

2 pav

Prie ritės pritvirtinama vielos spiralė 1, į kurią viena nuo kitos yra izoliuotos dvi pusašys 00. Spiralės galai prilituojami prie abiejų ašies pusių ir sujungiami slankiojančiais kontaktais 2 („šepečiais“). prie jautraus galvanometro 3. Ritė įvedama greitas sukimasis ir tada staiga sulėtėjo. Eksperimentas iš tikrųjų atskleidė, kad šiuo atveju galvanometre atsirado elektros srovė. Šios srovės kryptis parodė, kad neigiami krūviai juda pagal inerciją. Išmatavus šios trumpalaikės srovės nešamą krūvį, buvo galima rasti laisvojo krūvio ir jo nešiklio masės santykį. Šis santykis pasirodė lygus e/m=l,8 1011 C/kg, kas gerai sutampa su kitais metodais nustatyta šio santykio reikšme elektronams.

Metalų elektrinis laidumas – tai elementų ir kūnų gebėjimas per save pravesti tam tikrą kiekį neigiamo krūvio dalelių. Tikrasis valdymas elektros srovė galima paaiškinti gana paprastai – dėl poveikio elektromagnetinis laukas ant laidininko metalo elektronas taip pagreitina savo judėjimą, kad praranda ryšį su atomu.

IN Tarptautinė sistema Matavimo vienetai Elektros laidumas žymimas raide S ir matuojamas siemenais.

Priklausomai nuo krūvininkų tipo ir pobūdžio, laidumas gali būti elektroninis, joninis ir skylinis. Metalai turi elektroninį laidumą. Toks laidumas taip pat egzistuoja viršutiniai sluoksniai atmosfera, kur medžiagos tankis yra mažas, dėl kurio elektronai gali laisvai judėti nesijungdami su teigiamai įkrautais jonais Skystieji elektronai turi joninį laidumą. Jonai, kurie yra krūvininkai, juda medžiagą, dėl to ji išsiskiria ant elektrodų Dėl plyšimo galimas laidumo mechanizmas valentiniu ryšiu, dėl ko atsiranda laisva darbo vieta su trūkstamu ryšiu. Tokia „tuščia“ vieta, kurioje trūksta jungties elektronų, vadinama skyle. Skylės išvaizda laidininko kristale sukuria papildoma galimybė už mokesčių pervedimą. Šis procesas, lydimas elektronų judėjimo, vadinamas skylių laidumu.

Metalų elektrinis laidumas. Elektros laidumo rūšys. Fermi lygis.

Elektros laidumo rūšys

Priklausomai nuo krūvininkų tipo ir pobūdžio, laidumas gali būti elektroninis, joninis ir skylinis.

Metalai turi elektroninį laidumą.

Skystos medžiagos turi joninį laidumą. Jonai, kurie yra krūvininkai, juda medžiagą, todėl ji išsiskiria ant elektrodų.

Galimas laidumo mechanizmas atsiranda dėl valentinio ryšio plyšimo, dėl kurio atsiranda laisva vieta, kurioje trūksta ryšio. Tokia „tuščia“ vieta, kurioje trūksta jungties elektronų, vadinama skyle. Skylės atsiradimas laidininko kristale sukuria papildomą galimybę perkelti krūvį. Šis procesas, lydimas elektronų judėjimo, vadinamas skylių laidumu.

Gali tarnauti kaip elektros srovės laidininkai kietosios medžiagos, skysčiai ir atitinkamomis sąlygomis dujos.

Kietieji laidininkai apima metalus, metalų lydinius ir kai kurias anglies modifikacijas.

Metalai yra plastikinės medžiagos, turinčios būdingą blizgesį, gerai praleidžiančios elektrą ir šilumą. Tarp elektroninės įrangos medžiagų metalai užima vieną svarbiausių vietų.

Skysčių laidininkai apima išlydytus metalus ir įvairius elektrolitus. Apskritai metalo lydymosi temperatūra yra aukšta, išskyrus gyvsidabrį (Hg), kurio lydymosi temperatūra yra -39°C. Todėl kai normali temperatūra Kaip skysto metalo laidininkas gali būti naudojamas tik gyvsidabris. Galio (Ga) temperatūra taip pat artima normaliai (29,8°C). Kiti metalai yra skysčių laidininkai tik esant aukštai arba aukštai temperatūrai.

Srovės praėjimo per metalus kietoje ir skystoje būsenoje mechanizmą lemia laisvųjų elektronų judėjimas. Todėl jie vadinami laidininkais su elektroninis laidumas arba pirmosios rūšies laidininkai.

Elektrolitai arba antrosios rūšies laidininkai yra rūgščių, šarmų ir druskų tirpalai (daugiausia vandeniniai), taip pat lydalai joniniai junginiai. Srovių praėjimas per tokius laidininkus yra susijęs su perdavimu kartu su elektros krūviai molekulių dalys (jonai). Dėl to elektrolito sudėtis palaipsniui keičiasi, o ant elektrodų išsiskiria elektrolizės produktai.

Visos dujos ir garai, įskaitant metalo garus, nepraleidžia srovės esant mažam elektrinio lauko stipriui. Tačiau jei lauko stiprumas viršija tam tikrą kritinė vertė, užtikrinant smūgio ir fotojonizacijos pradžią, tada dujos gali tapti elektroninio ir joninio laidumo laidininku. Labai jonizuotos dujos, turinčios vienodą elektronų skaičių ir teigiami jonai tūrio vienetui yra pusiausvyrai laidžioji terpė, vadinama plazma.

Remiantis klasika elektronų teorija metalai, kuriuos sukūrė Drude ir Lorentz, slypi elektronų dujų, susidedančių iš laisvųjų elektronų, idėja. Elektronų dujoms priskiriamos idealių dujų savybės, t.y. elektronų judėjimas paklūsta dėsniams klasikinė statistika

Jei naudojama išorinė įtampa, elektronai gaus papildomą krypties judėjimo kryptimi greitį aktyvios jėgos laukai, dėl kurių atsiranda elektros srovė.

Nukreipto judėjimo procese elektronai gardelės vietose susiduria su atomais. Tokiu atveju judėjimo greitis sulėtėja, o tada pagreitėja veikiant elektriniam laukui:

Laisvųjų elektronų buvimą lemia didelis šilumos laidumas metalai Nepertraukiamai judėdami elektronai nuolat susiduria su jonais ir keičiasi su jais energija. Todėl jonų virpesiai, padidėję tam tikroje metalo dalyje dėl šildymo, iš karto perduodami kaimyniniams jonams, iš jų į kitus ir pan., o metalo šiluminė būsena greitai išsilygina; visa metalo masė įgauna tą pačią temperatūrą.

Šilumos laidumą galima apibrėžti kaip medžiagos savybę pravesti (perduoti) šilumos srautą, veikiant temperatūrų skirtumui, kuris laikui bėgant nekinta.

Fermi energija E F - maksimali vertė energijos, kurią elektronas gali turėti esant temperatūrai absoliutus nulis. Fermio energija sutampa su fermiono dujų cheminio potencialo vertėmis T = 0 K, tai yra, Fermio lygis elektronams atlieka neįkrautų dalelių cheminio potencialo lygio vaidmenį. Atitinkamas jo potencialas j F = E F /e vadinamas elektrocheminiu potencialu.

Taigi Fermio lygis arba Fermi energija metaluose yra energija, kurią elektronas gali turėti esant absoliučiai nulinei temperatūrai. Kaitinant metalą, kai kurie elektronai, esantys netoli Fermio lygio, sužadinami (dėl šiluminės energijos, kurios vertė yra apie kT). Bet esant bet kokiai temperatūrai lygiui, kurio energija atitinka Fermio lygį, užpildymo tikimybė yra 1/2. Labiau tikėtina, kad visi lygiai, esantys žemiau Fermio lygio 1/2 yra užpildyti elektronais, o visi lygiai, esantys virš Fermio lygio, yra labiau tikėtini 1/2 be elektronų.

Fermio energijos egzistavimas yra Pauli principo pasekmė. Fermio energijos vertė labai priklauso nuo sistemos savybių.

Geriausi elektros laidininkai yra metalai. Metalai vėlgi dėl savo gero elektros laidumo priklauso laisviesiems elektronams.

Kai pritvirtiname lemputę, plytelę ar bet kurią kitą elektros prietaisas prie srovės šaltinio, laiduose, lemputės siūlelyje, plytelės spiralėje akimirksniu įvyksta dideli pokyčiai: elektronai praranda savo buvusią visišką judėjimo laisvę ir veržiasi į teigiamą srovės šaltinio polių. Šis nukreiptas elektronų srautas yra metalų elektros srovė.

Elektronų srautas netrukdomas nejuda per metalą – savo kelyje jis susiduria su jonais. Atskirų elektronų judėjimas sulėtėja. Elektronai dalį savo energijos perduoda jonams, dėl to didėja jonų vibracinio judėjimo greitis. Dėl to laidininkas įkaista.

Įvairių metalų jonai turi skirtingą atsparumą elektronų judėjimui. Jei varža maža, metalas silpnai kaitina srovę, tačiau jei varža didelė, metalas gali įkaisti. Variniai laidai, tiekiantys srovę į elektrinę viryklę, beveik neįkaista, nes elektrinė varža varis yra nereikšmingas. O plytelių nichromo spiralė įkaista iki raudonumo. Lemputės volframo siūlelis įkaista dar labiau.

Sidabras ir varis turi didžiausią elektrinį laidumą, po to auksas, chromas, aliuminis, manganas, volframas ir kt. Geležis, gyvsidabris ir titanas prastai praleidžia srovę. Jei sidabro elektrinis laidumas yra 100, tai vario elektrinis laidumas yra 94, aliuminio - 55, geležies ir gyvsidabrio - 2, o titano - tik 0,3.

Sidabras yra brangus metalas ir mažai naudojamas elektrotechnikoje, tačiau varis didžiuliais kiekiais naudojamas laidų, kabelių, autobusų ir kitų elektros gaminių gamyboje. Aliuminio elektrinis laidumas yra 1,7 karto mažesnis nei vario, todėl aliuminis elektrotechnikoje naudojamas rečiau nei varis.

Sidabras, varis, auksas, chromas, aliuminis, ..., švinas, gyvsidabris. Matėme, kad metalai stovi apytiksliai ta pačia tvarka, palaipsniui mažėjant šilumos laidumui (žr. 33 psl.).

Geriausi elektros srovės laidininkai, kaip taisyklė, yra ir geriausi šilumos laidininkai. Tarp metalų šilumos laidumo ir elektros laidumo yra tam tikras ryšys, ir kuo didesnis metalo elektrinis laidumas, tuo didesnis paprastai yra jo šilumos laidumas.

Grynieji metalai visada praleidžia elektrą geriau nei jų lydiniai. Tai paaiškinama taip. Elementų, sudarančių priemaišas, atomai įsisuka į metalo kristalinę gardelę ir sutrikdo jos taisyklingumą. Dėl to gardelė tampa rimtesne kliūtimi elektronų srautui.

Jei varyje priemaišų yra nežymiai – dešimtosiomis ir net šimtosiomis procentų dalimis – jo elektrinis laidumas jau labai sumažėja. Todėl elektrotechnikoje daugiausia naudojamas labai grynas varis, kuriame yra tik 0,05 % priemaišų. Ir atvirkščiai, tais atvejais, kai reikia didelio atsparumo medžiagos - reostatams), įvairiems šildymo prietaisams naudojami lydiniai - nichromas, nikelis, konstantanas ir kt.

Metalo elektrinis laidumas taip pat priklauso nuo jo apdirbimo pobūdžio. Po valcavimo, tempimo ir pjovimo metalo elektrinis laidumas mažėja. Taip yra dėl kristalinės gardelės iškraipymo apdorojimo metu, joje susidarius defektams, kurie slopina laisvųjų elektronų judėjimą.

Labai įdomi metalų elektrinio laidumo priklausomybė nuo temperatūros. Jau žinome, kad kaitinant padidėja jonų virpesių diapazonas ir greitis metalo kristalinėje gardelėje. Šiuo atžvilgiu taip pat turėtų padidėti jonų atsparumas elektronų srautui. Iš tiesų, kuo aukštesnė temperatūra, tuo didesnis laidininko atsparumas srovei. Lydymosi temperatūroje daugumos metalų atsparumas padidėja nuo pusantro iki dviejų kartų.

Atvėsus atsiranda priešingas reiškinys: netvarkingas svyruojantis judesys jonų kiekis gardelės vietose mažėja, varža elektronų srautui ir didėja elektros laidumas.

Tyrinėdami metalų savybes gilaus (labai stipraus) aušinimo metu, mokslininkai aptiko nepaprastą reiškinį: netoli absoliutaus nulio, tai yra, esant maždaug minus 273,16° temperatūrai, metalai visiškai praranda elektrinę varžą. Jie tampa „idealiais laidininkais“: uždarame metaliniame žiede srovė nesusilpnėja ilgą laiką, nors žiedas nebeprijungtas prie srovės šaltinio! Šis reiškinys vadinamas superlaidumu. Jis pastebimas aliuminio, cinko, alavo, švino ir kai kurių kitų metalų. Šie metalai tampa superlaidininkais žemesnėje nei minus 263° temperatūroje.

Kaip paaiškinti superlaidumą? Kodėl vieni metalai pasiekia puikų laidumą, o kiti ne? Atsakymų į šiuos klausimus dar nėra. Superlaidumo reiškinys yra nepaprastai svarbus metalų sandaros teorijai ir šiuo metu jį tiria sovietų mokslininkai. Akademiko L. D. Landau ir SSRS mokslų akademijos nario korespondento A. I. Šalnikovo darbai šioje srityje buvo apdovanoti Stalino premijomis.

>>Fizika: elektroninis metalų laidumas

Pradėkime nuo metalinių laidininkų. Žinome šių laidininkų srovės-įtampos charakteristikas, tačiau iki šiol nieko nepasakyta apie jos paaiškinimą molekulinės kinetinės teorijos požiūriu.
Laisvųjų krūvių nešėjai metaluose yra elektronai. Jų koncentracija didelė – apie 10 28 1/m 3. Šie elektronai dalyvauja atsitiktiniame šiluminiame judėjime. Veikiami elektrinio lauko, jie pradeda tvarkingai judėti vidutiniu 10–4 m/s greičiu.
Eksperimentinis laisvųjų elektronų egzistavimo metaluose įrodymas. Eksperimentinis įrodymas, kad metalų laidumas yra dėl laisvųjų elektronų judėjimo, buvo pateiktas L.I.Mandelstamo ir N.D.Papaleksi (1913), B. Stewarto ir R. Tolmano (1916) eksperimentuose. Šių eksperimentų schema yra tokia.
Viela suvyniota ant ritės, kurios galai yra prilituoti prie dviejų metalinių diskų, izoliuotų vienas nuo kito ( 16.1 pav). Prie diskų galų slankiojančiais kontaktais prijungiamas galvanometras.

Ritė greitai sukasi ir staiga sustabdoma. Staigaus ritės sustojimu, laisvai įkrautos dalelės kurį laiką juda laidininko atžvilgiu inercija, todėl ritėje atsiranda elektros srovė. Srovė egzistuoja trumpai, nes dėl laidininko pasipriešinimo įkrautos dalelės sulėtėja ir sustoja tvarkingas dalelių judėjimas, sudarantis srovę.
Srovės kryptis šiame eksperimente rodo, kad ją sukuria neigiamai įkrautų dalelių judėjimas. Perduotas krūvis šiuo atveju yra proporcingas srovę sukuriančių dalelių krūvio ir jų masės santykiui, t.y. |q|/m. Todėl išmatavus krūvį, einantį per galvanometrą srovės egzistavimo grandinėje metu, buvo galima nustatyti šį santykį. Paaiškėjo, kad jis lygus 1,8 10 11 C/kg. Ši vertė sutapo su elektrono krūvio ir jo masės santykiu e/m, rasta anksčiau iš kitų eksperimentų.
Elektronų judėjimas metale. Elektronai, veikiami juos iš elektrinio lauko veikiančios jėgos, įgyja tam tikrą tvarkingo judėjimo greitį. Šis greitis laikui bėgant toliau nedidėja, nes, susidūrę su kristalinės gardelės jonais, elektronai praranda kryptingą judėjimą, o tada vėl, veikiami elektrinio lauko, pradeda judėti kryptingai. Dėl to vidutinis tvarkingo elektronų judėjimo greitis yra proporcingas elektrinio lauko stiprumui laidininke v~E ir atitinkamai potencialų skirtumas laidininko galuose, kadangi , Kur l- laidininko ilgis.
Srovės stipris laidininke proporcingas tvarkingo dalelių judėjimo greičiui (žr. (15.2) formulę). Todėl galime pasakyti, kad srovės stipris yra proporcingas potencialų skirtumui laidininko galuose: aš~U. Tai yra Kokybinis Ohmo dėsnio paaiškinimas remiantis elektronine metalų laidumo teorija.
Neįmanoma sukurti patenkinamos kiekybinės elektronų judėjimo metale teorijos, pagrįstos klasikinės mechanikos dėsniais. Faktas yra tas, kad elektronų judėjimo metale sąlygos yra tokios klasikinė mechanika Niutonas netaikomas šiam judėjimui apibūdinti.
Tai aiškiausiai matyti iš sekantį pavyzdį. Jei eksperimentiškai nustatysime vidutinę elektronų šiluminio judėjimo kinetinę energiją metale kambario temperatūroje ir rasime šią energiją atitinkančią temperatūrą, gausime 10 5 -10 6 K dydžio temperatūrą. Tokia temperatūra egzistuoja viduje. žvaigždės. Elektronų judėjimas metale paklūsta dėsniams kvantinė mechanika.
Eksperimentiškai įrodyta, kad elektronai yra laisvųjų krūvių nešėjai metaluose. Veikiami elektrinio lauko, elektronai juda su konstanta vidutinis greitis, patiria slopinančią kristalinės gardelės įtaką. Tvarkingo elektronų judėjimo greitis yra tiesiogiai proporcingas lauko stiprumui laidininke.

???
1. Ritė (žr. 16.1 pav.) sukosi pagal laikrodžio rodyklę ir po to buvo smarkiai sulėtinta. Kokia elektros srovės kryptis ritėje stabdymo momentu?
2. Kaip elektronų tvarkingo judėjimo greitis metaliniame laidininke priklauso nuo įtampos laidininko galuose?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovcevas, N.N.Sotskis, fizika 10 kl.

Jei turite šios pamokos pataisymų ar pasiūlymų,

Šiandien nieko nestebina, kad palietus jungiklio mygtuką matome užsidegančią lemputę. Dažnai net nesusimąstome, kad visi tokie veiksmai yra pagrįsti ištisa serija. Vienas iš šių itin keistų reiškinių yra metalų laidumas, užtikrinantis elektros srovės tekėjimą.

Pirmiausia turbūt turėtumėte nuspręsti, kas tai yra. mes kalbame apie. Taigi, elektrinis laidumas yra medžiagos gebėjimas perduoti skirtingos medžiagos turėti šį gebėjimą įvairaus laipsnio. Pagal elektros laidumo laipsnį medžiagos skirstomos į laidininkus, puslaidininkius ir dielektrikus.

Pažvelgus į eksperimentinius duomenis, kuriuos mokslininkai gavo tirdami elektros srovę, paaiškėja, kad metalų laidumas yra didžiausias. Tai patvirtina ir kasdienė praktika, kai elektros srovei perduoti naudojami metaliniai laidai. Metalai pirmiausia yra elektros srovės laidininkai. O paaiškinimą tam galima rasti elektroninėje metalų teorijoje.

Pagal pastarąjį laidininkas yra kristalinė gardelė, kurios mazgus užima atomai. Jie išsidėstę labai tankiai ir yra sujungti su kaimyniniais panašiais atomais, todėl praktiškai lieka kristalinės gardelės mazguose. To negalima pasakyti apie elektronus, esančius ant išorinių atomų apvalkalų. Šie elektronai gali laisvai judėti atsitiktinai, sudarydami vadinamąsias „elektronines dujas“. Tokiais elektronais pagrįstas metalų elektroninis laidumas.

Kaip įrodymą, kad elektros srovės prigimtį lemia elektronai, galime prisiminti vokiečių fiziko Rikke eksperimentą, atliktą 1901 m. Jis paėmė du varinius ir vieną aliuminio cilindrus kruopščiai nupoliruotais galais, pastatė vieną ant kito ir perleido elektros srovę. Pasak eksperimentuotojo, jei metalų elektrinis laidumas yra dėl atomų, tada įvyktų medžiagos pernešimas. Tačiau metus praleidžiant elektros srovę, cilindrų masė nepakito.

Iš šio rezultato buvo padaryta išvada, kad metalų elektrinį laidumą lemia kai kurios dalelės, būdingos visiems laidininkams. Elektronas, kuris tą akimirką jau buvo atrastas, būtent šiam vaidmeniui tiko. Vėliau buvo atlikti dar keli išradingesni eksperimentai, kurie visi patvirtino, kad elektros srovę sukelia elektronų judėjimas.

Pagal šiuolaikinės idėjos Apie metalus jonai išsidėstę jo mazguose, o tarp jų santykinai laisvai juda elektronai. Būtent didelis skaičius Tokie elektronai užtikrina didelį metalų elektrinį laidumą. Kai laidininko galuose yra nedidelis kiekis, šie laisvieji elektronai pradeda judėti, o tai sukelia elektros srovės tekėjimą.

Čia reikia pažymėti, kad laidumas labai priklauso nuo temperatūros. Taigi, kylant temperatūrai, metalų laidumas mažėja, o atvirkščiai – didėja mažėjant temperatūrai, iki Tuo pačiu reikia atminti, kad nors laidumą turi visi metalai, jo vertė kiekvienam iš jų yra skirtinga. Iš elektrotechnikoje plačiausiai naudojamų metalų varis pasižymi geriausiu laidumu.

Taigi, aukščiau pateikta medžiaga suteikia supratimą apie tai, kas yra metalų elektrinis laidumas, paaiškina elektros srovės prigimtį ir paaiškina, kas ją sukelia. Pateikiamas metalų kristalinės gardelės aprašymas ir kai kurių įtaka išoriniai veiksniai laidumui.