Електропровідність металів

Класична електронна теорія металів представляє твердий провідник у вигляді системи, що складається з вузлів кристалічної іонної решітки, усередині якої знаходиться електронний газ з вільних електронів. При вільному стані, від кожного атома металу переходить від одного до двох електронів. До електронного газу застосовувалися поняття і закони статистики звичайних газів. При зіткненнях електронів з вузлами кристалічної решітки енергія, накопичена при прискоренні електронів в електричному полі, передається металевій основі, унаслідок чого він нагрівається. Розгляд цього питання привів до виведення закону Джоуля-Ленца. Таким чином, електронна теорія металів дала можливість аналітично описати і пояснити знайдені раніше експериментальним шляхом основні закони електропровідності і втрат електричної енергії в металах. Виявилося можливим також пояснити і зв'язок між електропровідністю і теплопровідністю металів. Крім того, деякі досліди підтвердили гіпотезу про електронний газ в металах, а саме:

1. При тривалому пропусканні електричного струму через ланцюг, що складається з одних металевих провідників, не спостерігається проникнення атомів одного металу в іншій.

2. При нагріві металів до високих температур швидкість теплового руху вільних електронів збільшується, і найбільш швидкі з них можуть вилітати з металу, долаючи сили поверхневого потенційного бар'єру.

3. У момент несподіваної зупинки провідника, що швидко рухався, відбувається зсув електронного газу за законом інерції у напрямі руху. Зсув електронів приводить до появи різниці потенціалів на кінцях загальмованого провідника, і стрілка вимірювального приладу, що підключається до них, відхиляється за шкалою.

4. Досліджуючи поведінку металевих провідників в магнітному полі, встановили, що унаслідок викривлення траєкторії електронів в металевій пластинці, поміщеній в поперечне магнітне поле, з'являється поперечна ЕДС і змінюється електричний опір провідника.

Проте виявилися і суперечності деяких виводів теорії з дослідними даними. Вони полягали в розбіжності температурної залежності питомого опору, яка спостерігалась під час дослідів; у невідповідності теоретично набутих значень теплоємності металів, до дослідних даних.

Досліджувана теплоємність металів менше теоретичної і її значення таке, наче електронний газ не поглинає теплоту при нагріві металевого провідника. Ці суперечності вдалося пояснити, розглядаючи деякі положення з позицій квантової механіки. На відміну від класичної електронної теорії в квантовій механіці приймається, що електронний газ в металах при звичайних температурах знаходиться в стані виродження. У цьому стані енергія електронного газу майже не залежить від температури, тобто тепловий рух майже не змінює енергію електронів. Тому на нагрів електронного газу теплота не витрачається, що і виявляється при вимірюванні теплоємності металів. У стан, аналогічний звичайним газам, електронний газ переходить при температурі порядку тисячі Кельвінів.

Представляючи метал як систему, в якій позитивні іони скріпляються за допомогою вільно рухомих електронів, легко зрозуміти природу всіх основних властивостей металів: пластичності, ковкій, хорошій теплопровідності і високій електропровідності.

Дата добавления: 2015-11-16