2015-05-26
3506
Электронная теория проводимости металлов была впервые создана П. Друде в 1900 г. и получила дальнейшее развитие в работах Г. Лоренца. С точки зрения классической электронной теории высокая электропроводность металлов объясняется наличием огромного числа носителей тока - электронов проводимости, перемещающихся по всему объему проводника. Друде предположил, что электроны проводимости в металле можно рассматривать как электронный газ, обладающий свойствами идеального одноатомного газа. При своем движении электроны проводимости сталкиваются с ионами кристаллической решетки металла. Поэтому можно говорить о средней длине свободного пробега электронов 
,которая по порядку величины должна быть равной периоду кристаллической решетки металла, т. е. 10 -8 см.
Пользуясь закономерностями кинетической теории газов, определим среднюю кинетическую энергию теплового движения электронов:
где m - масса, а vкв — средняя квадратичная скорость электронов. При температуре 0°С vкв»110 км/сек. Таков же порядок величины средней арифметической скорости uар теплового движения электронов.
|
|
|
Тепловое движение электронов вследствие своей хаотичности не может привести к возникновению электрического тока.
Под действием внешнего электрического поля в металлическом проводнике возникает упорядоченное движение электронов, т. е. возникает электрический ток. Плотность тока j равна общему заряду всех электронов, которые проходят за одну секунду через единицу площади поперечного сечения проводника. Эти электроны заключены в объеме цилиндра, площадь основания которого равна единице, а высота - средней скорости 
упорядоченного движения электронов под действием внешнего электрического поля. Если в единице объема находится no электронов, то численное значение плотности тока выразится формулой
. (20.23)
Оценим порядок величины средней скорости упорядоченного движения электронов. Для провода из определенного материала и заданного сечения существует максимальная технически допустимая нагрузка, превышение которой приводит к опасному перегреву провода. Например, для изолированного медного провода с сечением в 1 мм2 наибольшая допустимая плотность тока равна 11 • 106 A/м2. Так как для меди объемная плотность электронов проводимости no» 8,5×1028 м -3, а абсолютная величина заряда электрона е = 1,6×10 -19 Кл, то по формуле (20.23) средняя скорость движения электронов при этих условиях оказывается равной:
Таким образом, средняя скорость упорядоченного движения электронов, обусловливающая наличие электрического тока в проводнике, чрезвычайно мала по сравнению со средней скоростью их теплового движения при обычных температурах. Незначительная величина средней скорости объясняется весьма частыми столкновениями электронов с ионами кристаллической решетки.
|
|
|
Как согласовать очень малую величину этой скорости электронов с практически мгновенной передачей электрических, например, телеграфных, сигналов на очень большие расстояния?
Замыкание электрической цепи на станции отправления влечет за собой распространение электрического поля в проводах и вокруг них. Всякое изменение электрического поля передается вдоль проводов с огромной скоростью с, равной 3×108 м/сек (скорости света). Таким образом, спустя время 
где L -длина провода, вдоль цепи установится стационарное поле и в ней начнется упорядоченное движение электронов проводимости. Если L = 1000 м, то t = 0,3 • 10 -5 сек. Поэтому движение электронов под действием внешнего электрического поля возникает на всем протяжении провода практически одновременно с подачей сигнала.
