11 класс
Электродинамика (продолжение)
Глава 2. Электрический ток в средах
Напомним, что по способности веществ проводить электрический ток их можно разделить на несколько групп. К одной группе относят вещества, которые содержат свободные заряженные частицы и в которых поэтому легко создать электрический ток. Их называют проводниками. Проводниками электрического тока, кроме металлов и электролитов, при определённых условиях могут быть и другие вещества, например газы, вакуум. К другой группе относят вещества, в которых содержится мало свободных заряженных частиц. Эти вещества называют изоляторами или диэлектриками. В природе нет идеальных изоляторов. Даже лучшие из известных изоляторов имеют некоторое небольшое по сравнению с проводниками число свободных заряженных частиц.
Кроме того, существует группа веществ, проводимость которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Они получили название полупроводников. К ним относятся, например, кремний, германий, селен. Удельное сопротивление полупроводников может изменяться в широких пределах при изменении температуры, освещения, внесении в них примесей.
§ 9. Экспериментальные обоснования электронной проводимости металлов
Электронная проводимость металлов.
Основы классической электронной теории проводимости металлов были заложены немецким физиком Паулем Друде (1863—1906) и нидерландским учёным Хендриком Лоренцем (1853—1928). Данная теория объясняет существование электрического сопротивления металлов, электронную проводимость металлических проводников, а также явления электростатической индукции и поляризации диэлектриков.
Приведём её основные положения:
• металлический проводник состоит из положительно заряженных ионов, колеблющихся около положения равновесия, и свободных электронов, способных перемещаться по всему объёму проводника;
• движение электронов подчиняется законам классической механики;
• электроны взаимодействуют только с ионами кристаллической решётки; это взаимодействие имеет характер соударений;
• в узлах кристаллической решётки располагаются ионы металла, между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ, подобный идеальному газу.
Электрические свойства металлов обусловлены наличием в них свободных электронов с концентрацией порядка 1028 м -3, что примерно соответствует концентрации атомов. Эти электроны называют электронами проводимости (свободными электронами). Они образуются путём отрыва от атомов металлов их валентных электронов. Такие электроны не принадлежат какому-то определённому атому и способны перемещаться по всему объёму тела. Ионы кристаллической решётки металла не принимают участие в создании тока. Их перемещение при прохождении тока означало бы перенос вещества вдоль проводника. Но как же это было установлено?
Немецкий физик Карл Рикке (1845—1915) составил цепь, в которую входили три прижатых друг к другу цилиндра, из которых два крайних были медные, а средний — алюминиевый (рис. 2.1).
В течение года через эти цилиндры протекал ток порядка 0,1 А, так что общий заряд, прошедший через цилиндры, превысил 3,5 ∙ 106, Кл. По окончании опыта цилиндры были разъединены, и обнаружились лишь следы взаимного проникновения, не превышающие результатов обычной диффузии атомов в твёрдых телах.
На основании этого опыта можно сделать вывод о том, что перенос электрического заряда в металлах осуществляется не ионами металла.
Экспериментальное доказательство существования свободных электронов в металлах.
Доказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов, было дано в опытах российских учёных Леонида Исааковича Мандельштама (1879—1944) и Николая Дмитриевича Папалекси (1880—1947) в 1913 г.
Идея опыта состояла в следующем. Если резко затормозить движущийся кусок металла, то находящиеся в нём свободные заряды, двигаясь по инерции, будут скапливаться у переднего его конца, и между концами проводника возникнет разность потенциалов. В опыте Мандельштама — Папалекси использовалась катушка с намотанным на неё проводом, концы которого были присоединены к наушнику (рис. 2.2). Катушку приводили в быстрое вращение вокруг её оси, а затем резко останавливали. При этом на концах катушки возникала переменная разность потенциалов, а в наушнике слышались щелчки.
Наблюдаемое явление можно объяснить тем, что при резком торможении быстро движущегося проводника должен наблюдаться кратковременный электрический ток, обусловленный инерцией электронов. Однако это были лишь качественные опыты. Никакие измерения и количественные расчёты не были произведены.
Опыт с количественными результатами был осуществлён в 1916 г. американскими учёными Ричардом Толменом (1881—1948) и Томасом Стюартом (1895—1958). В опыте Толмена - Стюарта катушка большого диаметра с намотанным на неё металлическим проводом приводилась в быстрое вращение и затем резко тормозилась (рис. 2.3).
При торможении катушки свободные заряды в проводнике продолжали некоторое время двигаться по инерции. Вследствие движения зарядов относительно проводника в катушке возникал кратковременный электрический ток, который регистрировался гальванометром, присоединённым к концам проводника с помощью скользящих контактов.
Направление тока свидетельствовало о том, что он обусловлен движением отрицательно заряженных частиц. Переносимый при этом заряд прямо пропорционален отношению заряда q0 частиц, создающих ток, к их массе m0. Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за всё время существования тока в цепи, удалось определить отношение q0 / m0. Оно оказалось равным 1,8 ∙ 1011 Кл/кг. Это значение совпадает со значением отношения заряда к массе для электрона, найденным ранее из других опытов. Таким образом, было экспериментально установлено, что носителями электрического заряда в металлах являются свободные электроны.
Вопросы:
1. Укажите основные положения классической электронной теории проводимости металлов.
2. Какой вывод следует из опыта Рикке?
3. Каким образом Мандельштам и Папалекси доказали, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов?
4. В чём состояла сущность опытов Толмена — Стюарта? Какой вывод можно сделать на их основе?
