1.Електричний струм у металах. Електронна провідність металів

У металах носіями електричного струму є вільні електрони. Їх концентрація приблизно дорівнює концентрації атомів (n  10²⁸ м ^- 3), оскільки кожний атом одновалентного металу вже при кімнатній температурі віддає один електрон провідності. Ці електрони між собою не взаємодіють, а отже, ведуть себе подібно до атомів одноатомного ідеального газу. Якщо немає зовнішнього електричного поля, електрони провідності здійснюють хаотичний тепловий рух із середньою квадратичною швидкістю, що залежить від температури металу. Якщо до металу прикладено зовнішнє електричне поле, електрони провідності починають рухатися впорядковано (здійснюють дрейф) із середньою швидкістю <>, тобто в металевому провіднику виникає електричний струм. Згідно із формулою (4.2.1) , де e - модуль заряду електрона. Нехай, наприклад, сила струму I = 1 A, а площа поперечного перерізу провідника S = 10^-6 м². Модуль заряду електрона e = 1,6·10^-19 Кл. Кількість електронів в 1 м³ міді дорівнює кількості атомів у цьому об'ємі, бо один з валентних електронів кожного атома міді колективізований і вільний. Знайдемо цю кількість n:

,     (4.3.1) де ρ = 9000 кг/м³ - густина міді; N_A = 6,02·10²³ моль^-1 - число Авогадро; μ = 0,0635 кг/моль - молярна маса міді.

Згідно з формулою (4.3.1) концентрація електронів у мідному провіднику

n  8,5·10 ²⁸ м^-3. Отже, .

Швидкість упорядкованого руху електронів під дією поля набагато менша від середньоквадратичної швидкості їх хаотичного теплового руху ().

Провідність металів зумовлена рухом вільних електронів. Це експериментально довели вітчизняні вчені Мандельштам і Папалексі (1913 ), а також Стюарт і Толмен (1916 р.).

Схема цих дослідів така. На котушку намотують дріт, кінці якого припаюють до двох металевих дисків, ізольованих один від одного (рис. 4.3.1). До країв дисків за допомогою ковзних контактів приєднують гальванометр.

Котушку спочатку швидко обертають, а потім різко зупиняють. Під час різкого гальмування котушки вільні заряджені частинки деякий час рухаються відносно провідника за інерцією, і, отже, в котушці виникає електричний струм. Струм проходить короткий час, бо внаслідок опору провідника заряджені частинки гальмуються й упорядкований рух частинок, що утворюють струм, припиняється.

Визначаючи за допомогою гальванометра заряд, що проходить через нього за весь час існування струму в колі, вчені визначили питомий заряд q₀/m носіїв струму в металі. Він дорівнює 1,8·10¹¹ Кл/кг. Це відношення збігається зі значенням e/m для електронів, знайденим за відхиленням пучка електронів у магнітному полі.

Таким чином, було доведено, що електричний струм у металах є впорядкованим рухом вільних електронів. Густину струму в металевому провіднику згідно з формулою (4.2.2) розраховують за формулою: j = en, де e - заряд електрона; n - концентрація електронів у провіднику; - середня швидкість упорядкованого руху електронів під дією електричного поля.