Элементарная физика
Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т. е. электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металла. Ионы в металлах не участвуют в переносе электричества. Рассмотрим опытные доказательства этого.
Прежде всего отметим опыт немецкого физика Г. Pиккe (1845 – 1915), осуществленный в 1901 г. В этом опыте в течение года электрический ток пропускался через три последовательно соединенных с тщательно отшлифованными торцами металлических цилиндра (медный, алюминиевый и снова медный) одинакового радиуса. Несмотря на то, что общий заряд, прошедший через эти цилиндры, достигал огромного значения никаких, даже микроскопических, следов переноса вещества не обнаружилось. Взвешивание, произведенное до и после опыта, показало, что масса цилиндров не изменилась. Это явилось экспериментальным доказательством того, что 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 в 1897 г. английским физиком Джозефом Томсоном (1856 – 1940) электроны. Для доказательства этого предположения необходимо было определить знак и величину удельного заряда носителей (отношение заряда носителя к его массе). Идея подобных опытов заключалась в следующем: 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; по направлению тока можно определить знак носителей тока, а, зная размеры и сопротивление проводника, можно вычислить удельный заряд носителей. Идея этих опытов (1913) и их качественное воплощение принадлежат российским физикам С.Л.Мандельштаму (1879 – 1944) и Н.Д.Папалекси (1880 – 1947). Они установили, что в катушке с проволокой (рис. 22.2), совершающей вращательные колебания вокруг своей оси, действительно возникает переменный ток: к концам катушки подключался телефон, в котором был слышен звук, обусловленный импульсами тока. Затем этот опыт был предложен вновь Г.А.Лорентцом. И в 1916 г. он был усовершенствован и проведен американским физиком Р.Толменом (1881 – 1948) и ранее шотландским физиком Б.Стюартом (1828 – 1887).
Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рисунке 22.3. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы обмотки были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру при помощи длинных гибких проводов, скручивающихся при вращении катушки. После раскручивания катушки она резко тормозилась специальным приспособлением. Общая длина обмотки составляла примерно 500 метров, а линейная скорость движения проволоки достигала 300 метров в секунду. При измерениях тщательно устранялось действие магнитного поля Земли, которое могло бы вызвать появление индукционных токов.
Опыты показали, что при торможении катушки в цепи действительно возникает кратковременный ток, а его направление соответствует отрицательно заряженным частицам. В этих опытах было определено отношение заряда к массе носителей заряда, . При помощи простых рассуждений легко показать, что полный заряд Q, протекающий по цепи за время торможения катушки, выражается формулой
а искомое отношение заряда к его массе
где – начальная линейная скорость проволоки, l – ее длина, R – сопротивление цепи. Поэтому, измеряя заряд Q баллистическим гальванометром и зная остальные (легко определяемые) величины , l и R, можно найти значение .
Таким образом, было окончательно установлено, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.
Источник
Природа носителей тока в металлах
Для выяснения природы носителей тока в металлах был поставлен ряд опытов.
Опыт Рикке (Riecke C., 1845-1915). В 1901г. Рикке осуществил опыт, в котором он пропускал ток через стопку цилиндров с тщательно отполированными торцами Cu-Al-Cu (рис.6.1). Перед началом опыта образцы были взвешены с высокой степенью точности (Δm = ±0,03 мг). Ток пропускался в течение года. За это время через цилиндры прошел заряд q = 3,5∙10 6 Кл.
По окончании опыта цилиндры были вновь взвешены. Взвешивание показало, что пропускание тока не оказало никакого влияния на вес цилиндров. При исследовании торцевых поверхностей под микроскопом также не было обнаружено проникновения одного металла в другой. Результаты опыта Рикке свидетельствовали о том, что носителями тока в металлах являются не атомы, а какие-то частицы, которые входят в состав всех металлов.
Такими частицами могли быть электроны, открытые в 1897г. Томсоном (Thomson J., 1856-1940) в опытах с катодными лучами. Чтобы отождествить носители тока в металлах с электронами, необходимо было определить знак и величину удельного заряда носителей. Это было осуществлено в опыте Толмена и Стюарта (Tolman R., 1881-1948, Stewart B., 1828-1887).
Опыт Толмена и Стюарта. Суть опыта, проведенного в 1916г., состояла в определении удельного заряда носителей тока при резком торможении проводника (рис.6.2). В опыте для этой цели использовалась катушка из медного провода длиной 500м, которая приводилась в быстрое вращение (линейная скорость витков составляла 300м/с), а затем резко останавливалась. Заряд, протекавший по цепи за время торможения, измерялся с помощью баллистического гальванометра.
Найденный из опыта удельный заряд носителя тока , оказался очень близким к величине удельного заряда электрона, откуда был сделан вывод о том, что ток в металлах переносится электронами.
2.11. Основные положения классической электронной теории проводимости металлов Друде – Лоренца.
Исходя из представлений о свободных электронах как основных носителях тока в металлах, Друде (Drude P., 1863-1906) разработал классическую теорию электропровод-ности металлов, которая затем была усовершенствована Лоренцем (Lorentz H., 1853-1928).
Основные положения этой теории сводятся к следующим:
1). Носителями тока в металлах являются электроны, движение которых подчиняется законом классической механики.
2). Поведение электронов подобно поведению молекул идеального газа (электронный газ).
3). При движении электронов в кристаллической решетке можно не учитывать столкновения электронов друг с другом.
4). При упругом столкновении электронов с ионами электроны полностью передают им накопленную в электрическом поле энергию.
Средняя тепловая скорость хаотического движения электронов при Т ≈ 300К составляет .
При включении электрического поля на хаотическое движение электронов накладывается упорядоченное движение (называемое иногда «дрейфовым»), происходящее с некоторой средней скоростью ; возникает направленное движение электронов – электрический ток. Плотность тока определяется по формуле .
Оценки показывают, что при максимально допустимой плотности тока в металлах j = 10 7 А/м 2 и концентрации носителей 10 28 – 10 29 м -3 , . Таким образом, даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов .
Источник
Металлы природа носителей тока
Для выяснения природы носителей тока в металлах был поставлен ряд опытов. Опыт Рикке. В 1901 г. Рикке взял три цилиндра два медных и один алюминиевый с тщательно отшлифованными торцами. После взвешивания цилиндры были сложены вместе в последовательности медь — алюминий — медь. Через такой составной проводник непрерывно в течение года пропускался ток одного и того же направления.
За все время через цилиндры прошел заряд, равный . Взвешивание показало, что пропускание тока не оказало на массу цилиндров никакого влияния. При исследовании соприкасавшихся торцов под микроскопом не было обнаружено проникновение одного металла в другой.
Результаты опыта свидетельствовали о том, что перенос заряда в металлах осуществляется не атомами, а какими-то частицами, входящими в состав всех металлов. Чтобы отождествить носители тока в металлах с электронами, нужно было определить знак и числовое значение удельного заряда носителей.
Если в металлах имеются способные перемещаться заряженные частицы, то при торможении металлического проводника эти частицы должны некоторое время продолжать двигаться по инерции, в результате чего в проводнике возникает импульс тока и будет перенесен некоторый заряд.
Пусть проводник движется вначале со скоростью v (рис. 4.7).
Начнем тормозить его с ускорением w. Продолжая двигаться по инерции, носители тока приобретают относительно проводника ускорение.
Такое же ускорение можно сообщить носителям в неподвижном проводнике, если создать в нем электрическое поле напряженностью , т. е. приложить к концам проводника разность потенциалов
.
где m и 
— масса и заряд носителя; l — длина проводника. В этом случае по проводнику потечет ток силы 
, где R — сопротивление проводника (I считается положительным, если ток течет в направлении движения проводника).
Следовательно, за время dt через каждое сечение проводника пройдет заряд
.
Заряд, прошедший за все время торможения, равен
.
(заряд положителен, если он переносится в направлении движения проводника).
Таким образом, измерив l, v и R, а также заряд q, проходящий по цепи при торможении проводника, можно найти удельный заряд носителей. Направление импульса тока даст знак носителей.
Количественный результат был получен Толменом и Стюартом в 1916 г. Катушка из провода длиной 500 м приводилась во вращение, при котором линейная скорость витков составляла 
. Затем катушка резко тормозилась, и с помощью баллистического гальванометра измерялся заряд, протекавший в цепи за время торможения. Вычисленное значение удельного заряда носителей получалось очень близким к 
для электронов. Таким образом, было экспериментально доказано, что носителями тока в металлах являются электроны.
Существование в металлах свободных электронов можно объяснить тем, что при образовании кристаллической решетки от атомов металла отщепляются слабее всего связанные (валентные) электроны, которые становятся «коллективной» собственностью всего объема металла. Число атомов в единице объема равно 
, где 
— плотность металла; М — масса моля; 
— число Авогадро. Для металлов значения 
заключены в пределах от 
до 
. Следовательно, для концентрации свободных электронов получаются значения порядка 
.
Источник