Лекция № 16 Электрические свойства твердых тел
Для понимания механизма электрических явлений необходимо знание природы элементарных носителей электрического заряда. Наименьшим количеством заряда, как известно, обладает электрон, поэтому он может быть назван атомом электрического заряда.
Наиболее убедительное доказательство атомной природы электрического заряда было получено в опытах Милликена и Иоффе. Идея опытов заключалась в следующем: если электрические заряды не имеют атомной природы, то заряд каждой частицы может изменяться непрерывно и принимать произвольные значения. В случае существования атомной природы электричества величина заряда должна изменяться скачкообразно, такими порциями, которые кратны элементарному заряду.
О пыт Иоффе проведенный в 1912г. полностью подтвердил атомистический характер электричества.
В этом опыте отрицательно заряженная металлическая пылинка помещалась между обкладками конденсатора, напряженность поля в котором подбиралась такой, чтобы пылинка находилась в равновесии, т.е.
З атем пылинка освещалась ультрафиолетовым светом. Из-за фотоэффекта отрицательный заряд пылинки время от времени уменьшался и, для сохранения равновесия в конденсаторе, приходилось изменять напряженность электрического поля, т.е. .
Оказалось, что заряд пылинки может принимать лишь ряд дискретных значений.
Измерить величину элементарного электрического заряда впервые удалось Р.А. Милликену.
В пространство между пластинами конденсатора он вводил мельчайшие капельки масла. При разбрызгивании капельки электризовались, и их можно было установить неподвижно, подбирая величину и знак напряжения на конденсаторе.
— сила, действующая на капельку со стороны электрического поля;
u – напряжение между пластинами конденсатора;
d – расстояние между ними.
Fгидр – гидростатическая сила, действующая со стороны окружающего воздуха (сила Архимеда);
dм – плотность масла;
d0 – плотность воздуха.
Записав вместо Fэл, Р и Fгидр их выражения, получим
Таким образом, для определения заряда электрона достаточно найти радиус капли.
Для определения радиуса капли в микроскоп в отсутствии электрического поля наблюдалось прохождение ее между обкладками конденсатора, измерялось время прохождения, и определялась ее скорость.
Как известно из механики, на шар, движущийся ввязкой среде согласно закону Стокса, действует сила трения:
— коэффициент вязкости в среде.
В состоянии равновесия = движущей силе, т.е.
Таким образом, Милликен определил заряд капельки, полученный ею при распылении. Затем пространство между обкладками конденсатора облучалось рентгеновскими лучами. Происходила ионизация воздуха. Отдельные ионы, прилипая к капельке, изменяли ее заряд. Изменение заряда капельки каждый раз получалось кратным одной и той же величине. Эта величина и была принята за заряд электрона.
Тем самым была экспериментально доказана дискретность электрического заряда и измерено значение элементарного заряда, которое оказалось равным
Природа носителей заряда в металлах
При раннем знакомстве с физикой мы узнали, что электрический ток в металлах – это движение электронов, и что ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда. Сейчас мы рассмотрим опытные доказательства этого.
В основе опыта лежала проверка положения: если при электрическом токе имеет место движение ионов, то электрический ток в металлах должен обязательно сопровождаться переносом вещества металла. Для проверки этого Рикке в течение года пропускал электрический ток через три поставленных друг на друга цилиндра: медный, алюминиевый и медный. Несмотря на то, что общих заряд, прошедший через цилиндры, достигал огромного значения, около 3,5 млн кулонов, никакого проникновения металлов друг в друга обнаружено не было.
Следовательно, перенос заряда в металлах осуществляется не атомами, а какими-то другим частицами, входящими в состав металлов. Такими частицами могли быть электроны.
Наиболее убедительным доказательством электронной природы тока в металлах явились результаты опытов с инерцией электронов.
Если трамвай резко затормозить, то находящиеся внутри пассажиры будут двигаться по инерции вперед и скопятся на передней площадке. Аналогично, если резко затормозить движущийся кусок металла, то находящиеся в нем свободные заряды, двигаясь по инерции, будут скапливаться у его переднего конца и между концами проводника возникнет разность потенциалов.
С уществование подобных электроинерционных эффектов было установлено в 1913г. Мандельштамом Л.И. и Папалекси Н.Д. Катушка, соединенная с телефоном, приводилась в колебательное движение вокруг своей оси. Благодаря инерции свободных зарядов на концах катушки возникала переменная разность потенциалов, и телефон издавал звук.
Количественные измерения относительной инертности носителей электрического тока в металлах были произведены в 1916г. Стюартом и Толмэном.
Схема опыта Стюарта и Толмэна изображена на рисунке.
Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы обмотки присоединялись к баллистическому гальванометру при помощи длинных гибких проводов, скручивающихся при вращении катушки. После раскручивания катушка резко тормозилась.
Двигаясь по инерции, свободные носители тока собираются в одном конце катушки и создают разность потенциалов, которая создает в цепи, замкнутой на гальванометр, ток силой і.
Обозначим заряд носителя электричества через е. Сила, действующая на этот заряд, равна
,
где Е – напряженность поля внутри проводника.
u – разность потенциалов на концах проводника;
L – длина провода в катушке.
Импульс этой силы за время dt,, согласно закону сохранения импульса, равен
где m – масса носителя электричества;
— линейная скорость движения катушки или скорость движения в проводнике носителей электричества.
Подставив вместо F ее значение, получим
По закону Ома , где R – полное сопротивление цепи. Тогда
где — элементарное количество электричества, протекшее по проводнику за время .
Проинтегрировав это выражение по времени торможения катушки, получим
где — полный заряд, протекший через баллистический гальванометр (измеряется по отбросу последнего).
Измеряя заряд баллистическим гальванометром, и зная другие легко определяемые величины , можно найти отношение .
В результате опытов Стюарта и Толмэна, проведенных с различными веществами, было установлено, что величина для всех веществ одинакова и равна Кулон/кг.
Незадолго до этого Милликен определил величину элементарного электрического заряда. Зная эту величину можно найти массу носителей электрического заряда. Она оказалась порядка 10 -30 кг, что в 2000 раз меньше массы самого легкого атома – водорода ( ).
Полученные значения и оказались близки по своим значениям к аналогичным значениям, полученным для электронов другими методами (например, по отклонению электронов в электрических и магнитных полях).
Таким образом, было установлено, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.
Источник
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