Класична електронна теорія електропровідності металів

ПЛАН

1 Класична електронна теорія електропровідності металів.

2 Зонна теорія електропровідності. Опір провідника у квантовій теорії.

3 Розгалуження струму. Правила Кирхгофа та їх застосування.

ЗМІСТ ТЕОРЕТИЧНОГО МАТЕРІАЛУ

Першу найпростішу класичну теорію електричних властивостей металів розробив німецький фізик Пауль Друде в 1900 р. Незважаючи на обмеженість теорії, вона містить окремі ідеї, які досі залишаються складовою частиною сучасних більш досконалих теорій. Друде було вже відомо, що в склад металів входить негативно заряджена частинка – електрон. Електрон відкрив у 1897 р. Дж. Дж. Томсон, директор Кавендішської лабораторії в Кембріджі на дослідах по відхиленню катодних променів у магнітному та електричному полях. Томсон показав, що катодні промені являють собою потік негативно заряджених частинок, визначив питомий заряд цих частинок, а також знайшов, що маса їх приблизно у 1837 разів менша за масу атома водню. Це було прямим і надійним відкриттям електрона. Томсон також висунув гіпотезу, що відкриті ним електрони є складовою частиною атомів.

Обґрунтовуючи власну теорію, Друде припустив, що носіями електричного струму в металах є електрони, які вважати вільними внаслідок того, що взаємне відштовхування їх врівноважується притяганням до позитивних іонів. Сукупність вільних електронів він розглядав як ідеальний газ вільних молекул. Проте, на відміну від класичного газу, де молекули розсіюються внаслідок зіткнень між собою, електрони металу розсіюються на іонах. Останні утворюють кристалічну ґратку і можуть лише коливатися біля положення рівноваги. Друде постулював, що кожний атом металу звільняє не менше одного електрона, тобто концентрація вільних електронів оцінюється як , де d – густина, M – молярна маса і – число Авогадро. Значення для металів лежить у межах від для калію до для берилію, тобто концентрація електронів провідності знаходиться в інтервалі .

Приписавши сукупності вільних електронів властивості газу, Друде отримав можливість використовувати основні ідеї та висновки молекулярно-кінетичної теорії газів. Як і молекули газу, електрон у проміжках між зіткненнями з іонами рухається цілком вільно, пробігаючи деяку середню відстань до наступного акту розсіяння. Електрон має середню теплову енергію, еквівалентну трьом класичним ступеням вільності для поступального руху

,

а середня за модулем теплова швидкість його .

У відсутності зовнішнього електричного поля вільні електрони металу рухаються хаотично і стаціонарний струм не спостерігається. В електричному полі до теплового руху електронів долучається впорядкований (дрейфовий)рух електронів, тобто виникає електричний струм.

Дата добавления: 2017-01-14