Электрическая проводимость различных веществ электронная проводимость металлов

Обновлено: 22.01.2025

(Молния) Посмотрите пожалуйста на картинку и ответьте на вопрос: «В какой среде распространяется электрический ток – гигантский разряд молнии?» Ученики: В воздухе.

И так, ток может распространяться не только в металлах, но и в других средах: в газах, жидкостях, в вакууме, в полупроводниках. Мы с вами вместе сформулируем цель урока: Изучить электрическую проводимость различных веществ.

Дидактические. Создать условия для усвоения нового учебного материала, используя методику проблемного обучения.

Образовательные . Установить различия в условиях существования электрического тока в твердых, жидких, газообразных телах. Сформировать понятие о природе электрического тока в металлах.

Развивающие. Развивать умение наблюдать, формировать представление о процессе научного познания.

Воспитательная. Развивать познавательный интерес к предмету, вырабатывать умение слушать и быть услышанным.

Опрос учащихся по

заданному на дом материалу ,

• определение целей, которые

учитель ставит перед учениками на данном этапе

урока (какой результат должен быть достигнут учащимися);

• определение целей и задач,

которых учитель хочет достичь на данном этапе урока;

поставленных целей и задач;

• описание критериев достижения целей и задач

данного этапа урока;

действий педагога в случае,

если ему или учащимся не

удается достичь оставленных

• описание методов организации совместной

деятельности учащихся с

учетом особенностей класса, с которым работает педагог;

• описание методов мотивирования (стимулирования) учебной

активности учащихся в ходе

• описание методов и

Мы познакомились с электрическим током в металлических проводниках и законом Ома. Проведем небольшой тест по пройденному материалу. Каждому учащемуся дается тест. Задания выполняются на этих же листах.

1.Назовите электрические величины и укажите способы их измерений и вычислений. (Указывается единица измерения, называется прибор ).

2.Какой закон устанавливает связь между этими тремя величинами?

3. Как называется электроизмерительный прибор для измерения силы тока через резистор и как он включается в электрическую цепь?

Амперметр, последовательно;
Амперметр, параллельно;
Вольтметр, последовательно
Вольтметр, параллельно

4. Как называется электроизмерительный прибор для измерения напряжения на резисторе и как он включается в электрическую цепь?

Амперметр, последовательно;
Амперметр, параллельно;
Вольтметр, последовательно;
Вольтметр, параллельно.

5. На графике представлена зависимость силы тока в проводнике от напряжения. Определите по графику сопротивление проводника

А. 0,5 Ом.

6. Запишите закон Ома для полной цепи

Изучение нового учебного

материала. Данный этап

учебной цели перед учащимися

(какой результат должен быть

достигнут учащимися на

данном этапе урока);

которые ставит перед собой

учитель на данном этапе урока;

положений нового учебного

материала, который должен

быть освоен учащимися (на

основе содержания данного

пункта эксперт выносит

суждение об уровне владения

• описание форм и методов

нового учебного материала;

• описание основных форм и

индивидуальной и групповой

учетом особенностей класса, в

котором работает педагог;

определения уровня внимания

и интереса учащихся к

освоения нового учебного

Итак, разбираем электрическую проводимость различных веществ.

Демонстрационный эксперимент №1: Пропускание электрического тока через раствор поваренной соли.

Наряду с металлами хорошими проводниками являются водные растворы или расплавы электролитов. Эти проводники широко используют в технике. (например, в аккумуляторах, гальванических элементах)

Демонстрационный эксперимент №2 : Демонстрация искрового разряда с помощью электрофорной машины.

Демонстрационный эксперимент №3 : Демонстрация тлеющего разряда с помощью газоразрядных трубок.

В обычных условиях газ является изолятором, но если газ ионизировать, то он становится проводником.

Демонстрационный эксперимент №4 : Демонстрация электрического тока в вакууме с помощью электронно-лучевой трубки.

В вакуумных электронных приборах электрический ток образуют потоки электронов.

Так же имеется группа веществ, проводимость которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Это полупроводники. Полупроводники применяют в качестве элементов, преобразующих ток в радиоприемниках, вычислительных машинах и т. д.

Демонстрационный эксперимент №5 : Демонстрация электрического тока в металлах.

Подведем небольшой итог. Ребята, в каких же средах распространяется электрический ток? Ученики дают ответ: в электролитах, в газах, в вакууме, в полупроводниках, в металлах.

Начнем с металлических проводников. Пока мы ничего не говорили об объяснении проводимости с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Их концентрация велика. 10 28 1/м 3 . Эти электроны участвуют в беспорядочном тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью порядка 10 -4 м/с.

Экспериментальное доказательство существования свободных электронов в металлах.

Опыт Рикке. Три предварительно взвешенных цилиндра (2 медных и один алюминиевый) Рикке сложил отшлифованными торцами так, что алюминиевый оказался между медными. Затем цилиндры были включены в цепь постоянного тока: через них в течение года проходил ток. Вторичное взвешивание цилиндров показало, что масса цилиндров не изменялась. При исследовании торцов не было обнаружено проникновение одного металла в другой. Результаты свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют.

Ребята, какой можно сделать вывод? Носителями зарядов являются электроны.

Движение электронов в металле. Электроны под действием постоянной силы, действующей на них со стороны электрического поля, приобретают определенную скорость упорядоченного движения. Эта скорость не увеличивается в дальнейшем со временем, так как со стороны ионов кристаллической решетки на электроны действует некоторая тормозящая сила. В результате V~E. Следовательно, скорость V пропорциональна напряжению U. E=U/l, где l – длина проводника. Мы знаем, что I=q ₀ nVS, поэтому можем сказать, что I~U. В это состоит качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.

Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно. Условия движения электронов в металле таковы, что классическая механика Ньютона не применима для описания этого движения. Это видно из примера. Если экспериментально определить среднюю кинетическую энергию движения электронов в металле при комнатной температуре mV 2 /2 = 3/2kT, то получается температура 10 5 – 10 6 K. Такая температура существует внутри звезд. Движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики.

Закрепление учебного

материала , предполагающее:

целей в ходе закрепления

нового учебного материала с

особенностей учащихся, с

которыми работает педагог.

степень усвоения учащимися

• Описание возможных путей и

методов реагирования на

ситуации, когда учитель

определяет, что часть учащихся

не освоила новый учебный

У чащиеся устно отвечают на вопросы:

1. Какие вещества относятся к электролитам?

2. В результате какого процесса газ становится электропроводным?

3. Какие вещества называют полупроводниками?

4. В чем заключается опыт Мандельштама и Папалекси?

5. В чем заключается опыт Рикке?

6. Каковы основные положения электронной теории электропроводимости металлов?

Если учащиеся отвечают плохо, то можно показать соответствующие слайды и снова проговорить неусвоенный материал. При хороших, четких ответах переходим к следующему этапу.

На тему « Электрический ток в различных средах. Электронная проводимость металлов ».

1. разъяснить физическую природу электрической проводимости веществ с точки зрения электронной теории; .

2.привить интерес к науке физике: история открытий, классические опыты и учёные-физики;

3. воспитывать самостоятельность, ответственное отношение к учёбе, стремление к самообразованию.

Материалы и оборудование: раздаточный материал с опорным конспектом и алгоритмом решения задачи, компьютер, доска.

Объяснение нового материала (лекция):

Ученики работают с опорным конспектом, представленным в виде таблицы.

1)Электрическая проводимость представляет собой способность веществ проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля. Обозначается σ=1/ρ. Единица измерения (Ом*м) -1.

По физической природе зарядов – носителей электрического тока электропроводность подразделяют на:

а) электронную (чисто электронную, чисто дырочную и электронно-дырочную);

б) ионную (катионную, анионную, смешанную анионную и катионную);

в) смешанную (электронно-ионную).

2)Для каждого вещества при заданных условиях характерна определённая зависимость силы тока от разности потенциалов (ВАХ).

По удельному сопротивлению вещества принято делить на:

а) проводники ( ρ 6 Ом*м),

б) диэлектрики ( ρ 10 8 Ом*м),

в) полупроводники ( 10 8 Ом*м ρ 10 -6 Ом*м).

Однако такое деление условно, так как под воздействием ряда факторов (нагревание, облучение, примеси) удельное сопротивление веществ и их вольт-амперная характеристика изменяются, и иногда очень существенно.

4) Поговорим подробнее о проводимости металлов.

2.Игровой момент «Орешек знаний» :

Учитель: Прежде, чем продолжить свою лекцию, я хочу убедиться в том, что у вас хорошая память, и вы способны воспринять дальнейший материал.

«Орешек знаний твёрд, но мы не привыкли отступать,

И расколоть его поможет блиц-игра «Хочу всё знать».

Ученики за компьютерами работают с презентациями «Орешек знаний».

Если на все вопросы даны правильные ответы – удары по «Ореху», то внутри «Ореха» откроется фамилия учёного. Нужно кратко рассказать о его научных открытиях.

Если ответы неверные, то ученик продолжает «бить» по «Ореху», пока не отколется вся «скорлупа», попросив помощь у других учеников, уже справившихся со своими «Орехами».

В одном «Орехе» спрятана фамилия учёного К.Рикке, в другом – Мандельштам, в третьем – Ом.

Ученик 1: опыт К.Рикке (1901 год):

Три предварительно взвешенных цилиндра (два медных и один алюминиевый) Рикке сложил отшлифованными торцами так, что алюминиевый оказался между медными. Затем цилиндры были включены в цепь постоянного тока: через них в течение года проходил большой ток (ток, питавший городскую трамвайную сеть). За это время через цилиндры прошёл электрический заряд, равный приблизительно 3,5 млн Кл. Вторичное взвешивание цилиндров, показало, что масса цилиндров в результате опыта не изменилась. При исследовании соприкасавшихся торцов под микроскопом было установлено, что имеются лишь незначительные следы проникновения металлов, которые не превышают результатов обычной диффузии атомов в твёрдых телах. Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе зарядов в металлах ионы не участвуют.

Ученик 2: опыты Мандельштама Л.И. и Папалекси Н.Д. (1913 год – Советский Союз) и Т.Стюарт и Р.Толмен (1916 год - США): Суть опытов сводится к тому, что на катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. К концам дисков при помощи скользящих контактов присоединяют гальванометр. Катушку приводят в быстрое движение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции и, следовательно, в катушке возникает электрический ток. Ток существует незначительное время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается. Направление тока говорит о том, что он создаётся движением отрицательно заряженных частиц. В этих опытах учёным удалось измерить удельный заряд частиц, создающих ток. Он оказался равным 1,8*10 11 Кл/ кг. Эта величина совпадает с отношением заряда электрона к его массе е/m, найденным ранее из других опытов. Ученик 3.Ом Георг Симон (1787-1854) немецкий физик. Работал школьным учителем. Он открыл закон зависимости силы тока от напряжения для участка цепи, а также закон, определяющий силу тока в замкнутой цепи. Чувствительный прибор для измерения силы тока он изготовил сам. В качестве источника напряжения Ом использовал термопару: два спаянных вместе проводника из различных металлов. Увеличивая разность температур спаев, Ом менял напряжение, которое пропорционально этой разности температур. Кроме того Ом нашёл зависимость сопротивления проводника от длины и площади его поперечного сечения.

Учитель (продолжение лекции):

5. Основы электронной теории электропроводности металлов.

На основе этих и других опытов П.Друде в 1900 году создал теорию электропроводности металлов, в основе которой лежат следующие допущения:

а) свободные электроны в металле ведут себя как молекулы идеального газа; «электронный газ» подчиняется законам идеального газа;

б) движение свободных электронов в металле подчиняется законам классической механики Ньютона;

в) свободные электроны в процессе их хаотического движения сталкиваются не между собой (как молекулы идеального газа), а с ионами кристаллической решётки;

г) при столкновениях электронов с ионами электроны передают ионам свою кинетическую энергию полностью.

6. Вывод закона Ома из электронной теории. Надо сказать, что теория П.Друде – весьма упрощённое представление об электронной проводимости в металле как об идеальном электронном газе, потому что она: во-первых, не раскрывает природу зависимости электрического сопротивления от абсолютной температуры, во-вторых, классическая механика Ньютона также не может здесь применяться, иначе по закону сохранения энергии (m*v 2 /2=3*k*T/2) мы получим температуру порядка 10 5 – 10 6 К. Такая температура существует внутри звёзд, а движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики. Тем не менее, используя эту теорию, можно теоретически получить основной закон, связывающий силу тока в металлическом проводнике с напряжением на его концах.

Электроны под влиянием постоянной силы, действующей на них со стороны электрического поля, приобретают определённую скорость упорядоченного движения. Эта скорость в дальнейшем со временем не увеличивается, так как со стороны ионов кристаллической решётки на электроны действует некоторая тормозящая сила. В результате получаем такую логическую цепочку взаимосвязанных физических величин:

I ~ v ~ F ~ E ~ U

I=q₀*n*v*S ; F=m*(v-v₀)/t; F=q*E; E=U/d;

Презентация по физике "Электрическая проводимость различных веществ"(10 класс)

Носители тока
Ещё раз подчеркнём, что нет универсального носителя тока. В таблице приведены носители тока в различных средах.
— Электронная проводимость, где переносчиками зарядов являются электроны. Такая проводимость характерна в первую очередь для металлов, но присутствует в той или иной степени практически в любых материалах. С увеличением температуры электронная проводимость снижается.
— Ионная проводимость. Существует в газообразных и жидких средах.
—Дырочная проводимость. Эта проводимость обуславливается недостатком электронов в кристаллической решётке материала. Фактически, переносят заряд здесь опять же электроны, но они как бы движутся по решётке, занимая последовательно свободные места в ней, в отличии от физического перемещения электронов в металлах.

Электронная проводимость металлов
Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Их концентрация велика — порядка 10 28 1/м 3 .
Эти электроны участвуют в беспорядочном тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью порядка 10-4 м/с.
Экспериментальное доказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов, было дано в опытах Мандельштама и Папалекси (1913), Стюарта и Толмена (1916). Схема этих опытов такова.
На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга (рис.). К концам дисков при помощи скользящих контактов подключают гальванометр. Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникает электрический ток.

Опыты Мандельштамма и Папалекси
Мандельштамм
Папалекси
Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику не происходит переноса вещества, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.
Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси в 1913 году поставили оригинальный опыт. Взяли катушку с проводом и стали крутить ее в разные стороны.
Раскрутят, к примеру, по часовой стрелке, потом резко остановят и — назад.
Рассуждали они примерно так: если электроны и вправду обладают массой, то, когда катушка внезапно останавливается, электроны еще некоторое время должны двигаться по инерции. Движение электронов по проводу — электрический ток. Как задумали, так и получилось. Подсоединили к концам провода телефон и услышали звук. Раз в телефоне слышен звук, следовательно, через него ток протекает.

Опыты Толмена и Стюарта
В 1916 году американский физик Ричард Толмен и шотландский физик Блэкетт Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.
Опыт Мандельштама и Папалекси в 1916 году повторили американские ученые Толмен и Стюарт. Они тоже крутили катушку, но вместо телефона к ее концам подсоединили прибор для измерения заряда. Им удалось не только доказать существование у электрона массы, но и измерить ее. Данные Толмена и Стюарта потом много раз проверялись и уточнялись другими учеными, и теперь вы знаете, что масса электрона равна 9,109 ·10-31 килограмма.

1913 r. — Мандельштам — Папалекси предложили,
1916 г. — Стюарт — Толмен осуществили экспериментально.
Длина провода = 500 м (в катушке), катушка вращалась со скоростью = 500 м/с, при резком торможении свободные частицы двигались по инерции. По отклонению стрелки гальванометра определяли удельный заряд, по направлению отклонения - знак заряда. Данные Толмена и Стюарта в последствии неоднократно проверялись и уточнялись, и на сей момент известно, что масса электрона 9,109x10-31 кг.

Электропроводность металлов
Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема. Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории. Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла

Движение электронов в металле
Свободные электроны в металле движутся хаотично. При подключении проводника к источнику тока в нём создаётся электрическое поле, и на электроны начинает действовать кулоновская сила F = qE. Под действием этой силы электроны начинают двигаться направленно, т. е. на хаотичное движение электронов накладывается
Скорость направленного движения увеличивается в течение некоторого времени t0 до тех пор, пока не произойдёт столкновение электронов с ионами кристаллической решётки. При этом электроны теряют направление движения, а затем опять начинают двигаться направленно. Таким образом, скорость направленного движения электрона изменяется от нуля до некоторого максимального значения, равного В результате средняя

скорость упорядоченного движения электронов оказывается равной

т. е. пропорциональной напряжённости электрического поля в проводнике: υ ~ Е и, следовательно, разности потенциалов на концах проводника, так как

где l — длина проводника.

Движение электронов в металле
Сила тока в проводнике пропорциональна скорости упорядоченного движения частиц (см. формулу Поэтому

можем сказать, что сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника: I ~ U.
В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.
Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно. Дело в том, что условия движения электронов в металле таковы, что классическая механика Ньютона неприменима для описания этого движения. Этот факт подтверждает, например, зависимость сопротивления от температуры. Согласно классической теории металлов, в которой движение электронов рассматривается на основе второго закона Ньютона, сопротивление проводника пропорционально эксперимент же показывает линейную зависимость сопротивления от температуры.

Упражнения
Какова средняя скорость направленного движения электронов (дрейфовая скорость) в металлическом проводнике с сечением 0,5 см2, если в проводнике существует ток силой 12 А, а в каждом кубическом сантиметре проводника имеется 5 • 1021 электронов проводимости.
Какова скорость дрейфа электронов в медном проводе диаметром 5 мм, по которому к стартеру грузовика подводится ток 100 А. Молярная масса меди М=63,5*10-3 кг/моль.
По проводнику с площадью сечения 60 мм2 течет ток. Средняя скорость дрейфа свободных электронов 0,032 мм/с, а их концентрация 8,0•1027 м-3 . Найти силу тока и плотность тока в проводнике.
Сила тока в металлическом проводнике I = 1 А, сечение проводника S = 6 мм2. Принимая, что в каждом кубическом сантиметре металла содержится n0 = 4,1 · 1022 свободных электронов, определить среднюю скорость их упорядоченного движения.

Рабочие листы и материалы для учителей и воспитателей

Более 3 000 дидактических материалов для школьного и домашнего обучения

Электрическая проводимость различных веществ. Электронная проводимость металлов

В этом видеоуроке мы поговорим о том, на какие группы принято делить вещества по их электрическим свойствам. Рассмотрим идею опытов Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси. А также познакомимся с новой физической моделью — электронный газ.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Электрическая проводимость различных веществ. Электронная проводимость металлов"

Как мы уже свами знаем, проводниками электрического тока могут быть вещества и в твёрдом, и в жидком, и в газообразном состояниях. Возникает закономерный вопрос: а какие частицы являются носителями электрического заряда в той или иной среде?

Мы уже с вами говорили о том, что в металлах носителями заряда являются свободные электроны. Наряду с металлами хорошими проводниками являются водные растворы или расплавы электролитов. Заряженные частицы, обеспечивающие существование электрического тока в электролитах, образуются в результате электролитической диссоциации, то есть распада молекул растворяемого вещества на ионы под действием молекул растворителя. Иными словами, в электролитах носителями заряда являются положительные и отрицательные ионы.

При определённых условиях газ также может являться хорошим проводником электрического тока. Носителями тока в этом случае выступают ионы и электроны.

А как вы думаете, возможен ли ток в вакууме? Для начала, давайте вспомним, что вакуум — это такое состояние газа в сосуде, при котором длина свободного пробега заряженных частиц превышает размеры сосуда. Проще говоря, вакуум — это идеальный изолятор, так как в нём отсутствуют свободные носители заряда.

Однако, если в сосуд с вакуумом поместить два электрода, один из которых — это подогреваемый спиралью катод, а второй — холодный анод, включённый в электрическую цепь, то электроны, вырвавшиеся с поверхности катоды, придут в упорядоченное движение и цепь замкнётся. Следовательно, носителями тока в вакууме являются электроны.

Также мы с вами говорили о том, что в природе существуют вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками — это полупроводники. В них носителями тока являются свободные электроны и дырки.

На сегодняшнем уроке мы с вами остановимся на подробном рассмотрении электронной проводимости металлов. Впервые она была экспериментально подтверждена немецким физиком-экспериментатором Эдуардом Рикке в 1901 году. Суть его опыта достаточно проста. Он взял проводник, состоящий из трёх отполированных и плотно прижатых друг к другу двух медных и одного алюминиевого цилиндров известной массы, и в течение года пропускал по ним ток одного и того же направления. За это время через проводник прошёл чудовищный заряд — более чем 3,5 МКл. После завершения опыта, Рикке опят взвесил цилиндры. Оказалось, что их массы остались неизменными. Более того, в местах контакта цилиндров также никаких изменений не произошло. Этот, на первый взгляд, простой эксперимент послужил доказательством того, что перенос заряда при прохождении тока в металлах не сопровождается химическими процессами и переносом вещества, а осуществляется частицами, которые являются общими для всех металлов, — электронами.

Убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в 1913 году в опытах русских физиков Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси, а также американским физиком Ричардом Толменом и шотландским физиком Томасом Стюартом в 1916 году.

Идея обоих опытов такова. Берётся катушка с большим числом витков из тонкой проволоки, концы которой припаяны к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. С помощью скользящих контактов катушка подключается к гальванометру. Затем её приводят в быстрое вращение (до полутора тысяч оборотов в минуту), и — резко останавливают. При таком торможении катушки в цепи возникает кратковременный ток, обусловленный инерцией носителей заряда

По направлению отклонения стрелки гальванометра было установлено, что электрический ток создают отрицательно заряженные частицы. Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе:

Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за всё время существования тока в цепи, удалось определить отношение q₀/m (то есть удельный заряд). Он оказался равным одной целой и восьми десятым на десять в одиннадцатой степени кулон на килограмм, что оказалось очень близко к величине удельного заряда электрона, найденному ранее из других опытов.:

Так было экспериментально доказано, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.

В 1900—1904 гг., немецкий физик Пауль Друде и голландский физик Хендрик Лоренц разработали классическую электронную теорию проводимости металлов. Согласно этой теории любой металлический проводник можно рассматривать как физическую систему, состоящую из двух подсистем: свободных электронов с концентрацией ~10 28 м –3 и положительно заряженных ионов, колеблющихся около положений равновесия.

Появление свободных электронов в металлическом кристалле упрощённо объяснить можно так. Электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов, слабо связаны со своими ядрами. А при образовании кристалла электроны начинают взаимодействовать не только со своими ядрами, но и с ядрами соседних атомов. В результате внешние электроны отрываются и могут двигаться по всему кристаллу в любом направлении, подобно частицам идеального газа. Эти электроны и называются свободными или электронами проводимости.

А совокупность свободных электронов в кристаллической решётке металла называют электронным газом.

Если к проводнику приложено внешнее электрическое поле, то на тепловое движение свободных электронов накладывается ещё направленное движение под действием сил электрического поля, что и порождает электрический ток.

При этом считается, что движение электронов под действием сил электрического поля подчиняется законам классической механики, а их столкновения с ионами кристаллической решётки металла являются неупругими.

Модель электронного газа даёт возможность теоретически объяснить природу сопротивления и вывести закон Ома для участка цепи, не содержащего источника тока, на основе классической электронной теории проводимости металлов.

Итак, пусть электрон движется с ускорением

В записанной формуле m₀ — это масса электрона, а F — это постоянная сила, действующая на электрон со стороны электрического поля. Она равна произведению заряда электрона на напряжённость электрического в проводнике.

Тогда модуль средней скорости направленного движения электрона (она называется дрейфовой скоростью) линейно возрастает со временем:

Здесь t* — это усреднённое время между двумя последовательными столкновениями электрона с ионами кристаллической решётки.

Дрейфовая скорость электрона не увеличивается в дальнейшем со временем, так как при столкновении с ионами кристаллической решётки электрон передаёт им кинетическую энергию, приобретённую в электрическом поле. Потом он опять ускоряется и процесс повторяется. В результате дрейфовая скорость электрона оказывается пропорциональной напряжённости электрического поля в проводнике.

Поскольку электрическое поле внутри однородного прямолинейного проводника с током однородное, то модуль напряжённости этого поля равен отношению напряжения между его концами к длине проводника:

Тогда модуль средней скорости направленного движения электронов пропорционален напряжению между концами проводника: υ ~ U.

Теперь давайте с вами вспомним, что сила тока в проводнике пропорциональна модулю средней скорости направленного движения электронов:

Но, как мы показали с вами выше, дрейфовая скорость пропорциональна разности потенциалов на концах проводника. Следовательно, сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника: I ~ U. В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе классической электронной теории проводимости металлов.

Для закрепления материала решим с вами небольшую задачу. Как изменится дрейфовая скорость электронов в проводнике, если при неизменной площади поперечного сечения и разности потенциалов на его концах, увеличить длину этого проводника в три раза?

В заключении урока отметим, что построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно. А дело всё в том, что условия движения электронов в металле таковы, что для его описания классическая механика Ньютона неприменима. Этот факт подтверждается, например, зависимостью сопротивлений металлов от температуры. Так в классической теории металлов, в которой движение электронов рассматривается на основе второго закона Ньютона, сопротивление проводника пропорционально квадратному корню из температуры.

А вот эксперименты говорят, что эта зависимость линейная. Однако об этом мы с вами поговорим в следующий раз.

Читайте также: