Кристаллическая решетка металлов. Электронный газ

Как показали опыты Рикке, ионы в металле неподвижны и не являются носителями тока. Ионы в металле не могут перемещаться, так как они закреплены в кристаллической решетке. Ион в кристаллической решетке представляет собой остов атома, от которого отщеплен валентный электрон.

При образовании кристаллической решетки в результате сближения атомов, валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами, становятся свободными внутри металла и могут перемещаться по всему объему. Таким образом, в узлах решетки расположены ионы металла, а между ними хаотически движется газ, обладающий согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.

Электроны проводимости при своем движении сталкиваются с ионами решетки, в результате устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. По теории Друде-Лоренца электроны обладают такой же энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного газа. Поэтому, исходя из молекулярно-ктнетической теории, средняя скорость теплового движения электронов равна .

При = 300 К = 1,1 10 ⁵ м/с. Тепловое движение, являясь хаотическим, не может привести к возникновению тока. При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, то есть возникает электрический ток. Среднюю скорость упорядоченного движения можно оценить из формулы для плотности тока = . 10-3 м/с.

Следовательно, средняя скорость упорядоченного движения намного меньше скорости теплового движения, . Это объясняется малой средней длиной свободного пробега электронов между двумя последовательными столкновениями с ионами металла. Поэтому при вычислениях результирующую скорость можно заменить скоростью теплового движения .

Казалось бы полученный результат противоречит факту практически мгновенной передаче электрических сигналов на большие расстояния. Замыкание электрической цепи влечет за собой распространение электрического поля со скоростью света и вдоль цепи быстро устанавливается стационарное электрическое поле и в ней начнется упорядочение движение электронов.

Дата добавления: 2014-01-04