Почнемо з металевих провідників. Вольт-амперна характеристика цих провідників нам відома, але поки нічого не говорилося про її поясненні з точки зору молекулярно-кінетичної теорії.
Носіями вільних зарядів у металах є електрони. Їх концентрація велика - близько 10 28 1 / м 3. Ці електрони беруть участь в хаотичному тепловому русі. Під дією електричного поля вони починають переміщатися впорядковано з середньою швидкістю близько 10 -4 м / с.
Експериментальне доказ існування вільних електронів в металах. Експериментальне доказ того, що провідність металів обумовлена рухом вільних електронів, було дано в дослідах Л.І.Мандельштама і Н. Д. Папалексі (1913), Б. Стюарта і Р. Толмена (1916). Схема цих дослідів така.
На котушку намотують дріт, кінці якої припаюють до двох металевим дискам, ізольованим один від одного (ріс.16.1). До кінців дисків за допомогою ковзних контактів підключають гальванометр.
Котушку призводять в швидке обертання, а потім різко зупиняють. Після різкої зупинки котушки вільні заряджені частинки деякий час рухаються щодо провідника за інерцією і, отже, в котушці виникає електричний струм. Ток існує незначний час, так як через опір провідника заряджені частинки гальмуються і впорядкований рух частинок, який утворює струм, припиняється.
Напрямок струму в цьому досвіді говорить про те, що він створюється рухом негативно заряджених частинок. Стерпний при цьому заряд пропорційний відношенню заряду частинок, що створюють струм, до їх масі, т. Е. | Q | / m. Тому, вимірюючи заряд, що проходить через гальванометр за час існування струму в ланцюзі, вдалося визначити це відношення. Воно виявилося рівним 1,8 • 10 11 Кл / кг. Ця величина збігалася з відношенням заряду електрона до його маси е / m. знайденим раніше з інших дослідів.
Рух електронів в металі. Електрони під впливом сили, що діє на них з боку електричного поля, набувають певну швидкість упорядкованого руху. Ця швидкість не збільшується в подальшому з часом, так як, стикаючись з іонами кристалічної решітки, електрони втрачають спрямований рух, а потім знову під дією електричного поля починають рухатися направлено. В результаті середня швидкість упорядкованого руху електронів виявляється пропорційною напруженості електричного поля в провіднику v
E і, отже, різниці потенціалів на кінцях провідника, так як. де l - довжина провідника.
Сила струму в провіднику пропорційна швидкості упорядкованого руху частинок (див. Формулу (15.2)). Тому можемо сказати, що сила струму пропорційна різниці потенціалів на кінцях провідника: I
U. У цьому полягає якісне пояснення закону Ома на основі електронної теорії провідності металів.
Побудувати задовільну кількісну теорію руху електронів в металі на основі законів класичної механіки неможливо. Справа в тому, що умови руху електронів в металі такі, що класична механіка Ньютона непридатна для опису цього руху.
Найбільш наочно це видно з наступного прикладу. Якщо експериментально визначити середню кінетичну енергію теплового руху електронів в металі при кімнатній температурі і знайти відповідну цієї енергії температуру, то отримаємо температуру порядку 10 5 -10 6 К. Така температура існує всередині зірок. Рух електронів в металі підкоряється законам квантової механіки.
Експериментально доведено, що носіями вільних зарядів у металах є електрони. Під дією електричного поля електрони рухаються з постійною середньою швидкістю, відчуваючи гальмівний вплив з боку кристалічної решітки. Швидкість упорядкованого руху електронів прямо пропорційна напруженості поля в провіднику.
.
1. Котушка (див. Рис. 16.1) оберталася за годинниковою стрілкою, а потім була різко загальмована. Який напрям електричного струму в котушці в момент гальмування?
2. Як швидкість упорядкованого руху електронів в металевому провіднику залежить від напруги на кінцях провідника?
Г.Я.Мякішев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотскій, Фізика 10 клас
Якщо у вас є виправлення або пропозиції до даного уроку, напишіть нам.
Якщо ви хочете побачити інші коригування та побажання до уроків, дивіться тут - Освітній форум.