движение электронов в металле

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику не происходит переноса вещества, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.

Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают исключительными свойствами. Практически наиболее важным их них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи. Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости.

      Расстояние между соседними разрешенными уровнями электронов в металлах много меньше энергии  теплового движения электронов даже при самых низких температурах. Если поместить проводник в электрическое поле, включив его, например, в замкнутую цепь с источником ЭДС, то электроны начнут перемещаться из точки проводника с меньшим потенциалом к точке с большим потенциалом, так как их заряд отрицателен. Но движение в электрическом поле означает увеличение энергии электрона, а по квантовым представлениям, переход на более высокий энергетический уровень у электрона возможен, если этот соседний уровень свободен. В металлах таких свободных уровней для электронов, находящихся вблизи уровня Ферми, вполне достаточно, поэтому металлы являются хорошими проводниками электрического тока.

      В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом поле энергию и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.

      При сближении большого числа атомов и образовании кристаллической структуры химические связи между атомами образуются за счет электронов, находящихся во внешних, валентных, электронных оболочках.

Схема опыта изображена на рис. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки через специальные контакты замыкались на чувствительный гальванометр. После раскручивания катушки она резко тормозилась специальным приспособлением. При этом гальванометр регистрировал кратковременный ток, направление которого указывало на отрицательный знак носителей заряда. В опыте были использованы инерционные свойства электронов: при резком торможении проводника они продолжали некоторое время двигаться (подобно пассажирам резко тормозящего вагона).)

Электронная природа носителей тока в металлах объясняется следующим образом (рис. Кристаллическая решетка металла состоит из положительно заряженных ионов, расположенных в узлах решетки, и электронов, свободно передвигающихся между узлами. Эти электроны — валентные электроны атомов металла, покинувшие свои атомы. Их называют также электронным газом. Конечно, при этом сумма всех положительных зарядов ионов решетки равна суммарному отрицательному заряду всех свободных электронов, так что металл остается незаряженным, или электронейтральным.

Для объяснения закона Ома на основе классической электронной теории металлов необходимо найти выражение для средней скорости и направленного упорядоченного движения электронов в электрическом поле напряженностью Е и подставить в известную формулу для силы тока I:

Здесь можно провести аналогию электрического тока с течением воды в водопроводе, а распространение электрического поля — с распространением давления воды. Вода в кране находится под давлением всего столба воды в водонапорной башне. Но из крана течет та вода, которая в нем была, а вода из башни дойдет до крана гораздо позднее, т. к. движение воды происходит с гораздо меньшей скоростью, чем распространение давления.

В соответствии с современным учением металлы представляют собой твердые и кристаллические структуры, в которых в подвижном равновесии находятся атомы, положительные ионы и "электронный газ" ("электронная жидкость", "электронное море"). Атомы и ионы расположены в узлах кристаллических решеток, причем нейтральных атомов очень мало и подавляющее число частиц находится в виде ионов. Электроны, подчиняясь законам квантовой теории, движутся в периодическом поле положительных зарядов в энергетической зоне, образовавшейся при сближении атомов и взаимном перекрывании их внешних электронных оболочек.

Химическую связь частиц в металле можно рассматривать в двух аспектах: либо как взаимодействие положительно заряженных ионов с электронной средой, либо с точки зрения взаимодействия каждого атома металла с его ближайшими соседями (эта идея особенно успешно развивается Л. Полингом). В различных типах кристаллических решеток число соседей у данного атома неодинаково. В объемно-центрированной кубической он окружен четырнадцатью — восемь находятся на кратчайшем расстоянии, а шесть расположены чуть дальше в центрах соседних кубических ячеек. В гексагональной и гранецентрированной кубической плотнейших упаковках атом имеет по двенадцать равноудаленных соседей. Металлическая связь является ненаправленной. Это значит, что электронная плотность одинакова по всем направлениям от данного атома.

Изложенный способ рассмотрения может быть обобщен и применен к другим металлам. У щелочноземельных сила связи в два раза больше, так как каждый атом представляет для связи с соседями два электрона. Металлы III группы связаны в три раза сильнее и т. д. У переходных элементов участвуют в связи и электроны d-подуровня предвнешнего слоя. Например, в VI группе у хрома, молибдена и вольфрама в связи участвуют шесть электронов. Распределенные между ближайшими соседями, они создают высокую электронную плотность, и связи между атомами прочны. В дополнение к этому кристаллические решетки указанных металлов имеют плотнейшие упаковки. Перечисленные металлы отличаются высокими температурами плавления, кипения, повышенной твердостью и прочностью.

В связи принимают участие только валентные электроны, поэтому в каждой группе периодической системы их число будет неодинаково. У щелочных металлов один и только один электрон каждого атома сообщает кристаллу металлические свойства. Вынужденный "размазываться" между соседями, он не может создать высокую электронную плотность. Электронов, так сказать, "на всех не хватает". По теории Полинга, происходит перераспределение электронов между атомами, и на какое-то время один из них обладает избыточным электроном, тогда как другой его лишился. Количество ионизированных распределений велико по сравнению с однородными, при которых не создаются ионизированные атомы. Связь как бы поворачивается вокруг атома:

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален. Свободные электроны движутся в нём беспорядочно. Если создать в металле электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно (упорядоченно), т.е. возникнет электрический ток. Однако беспорядочное движение электронов сохраняется.

Изменение электропроводимости полупроводников под воздействием света используется в фотосопротивлениях. Их применяют для сигнализации, при управлении производственными процессами на расстоянии, сортировке деталей. В экстренных ситуациях они позволяют автоматически останавливать станки и конвейеры, предупреждая несчастные случаи.

Причина проста: с повышением температуры тепловые колебания ионов кристаллической решётки становятся более интенсивными, так что число соударений свободных электронов с ионами возрастает. Чем активнее тепловое движение решётки, тем труднее электронам пробираться сквозь промежутки между ионами (Представьте себе вращающуюся проходную дверь. В каком случае труднее проскочить через неё: когда она вращается медленно или быстро? :-)). Скорость упорядоченного движения электронов уменьшается, поэтому уменьшается и сила тока (при неизменном напряжении). Это и означает увеличение сопротивления.

Упорядоченное движение ионов означало бы постепенный перенос вещества вдоль направления электрического тока. Поэтому надо просто пропускать ток по проводнику на протяжении весьма длительного времени и посмотреть, что в итоге получится. Такого рода эксперимент и был поставлен Э.

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.

В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом поле энергию и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.

Все величины, входящие в правую часть этого соотношения, можно измерить. На основании результатов опытов Толмена и Стюарта было установлено, что носители свободного заряда в металлах имеют отрицательный знак, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было установлено, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.

Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов.И. Мандельштаму и Н.Д. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.

1230.0087ms

Похожие статьи

Вход для пользователей