§ 36. Электрический ток в металлах

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И «ЭЛЕКТРОННЫЙ ГАЗ»

Все металлы в твёрдом состоянии обладают чётким кристаллическим строением:

• В узлах пространственной кристаллической решётки расположены положительно заряженные ионы, совершающие непрерывные тепловые колебания около своих положений равновесия.
• В изолированных нейтральных атомах металлов внешние (валентные) электроны сравнительно слабо связаны со своими ядрами. При объединении атомов в кристалл эти внешние электроны легко отрываются от своих ядер и становятся общей собственностью всего куска металла.
• Оторвавшиеся электроны называют свободными электронами, а всю их совокупность — «электронным газом». Свободные электроны не привязаны ни к какому конкретному атому и хаотически перемещаются по всему междоузельному пространству проводника.

В отсутствие внешнего электрического поля свободные электроны находятся в состоянии беспорядочного теплового движения. Они мечутся между колеблющимися ионами решётки с колоссальными скоростями — порядка сотен километров в секунду. Однако это бурное движение не переносит заряд через проводник: через любое сечение проволоки за одно и то же время вправо и влево пролетает одинаковое количество частиц.

ЧТО ПРОИСХОДИТ В МЕТАЛЛЕ ПРИ ПОДКЛЮЧЕНИИ К ИСТОЧНИКУ ТОКА

Как только проводник подключают к источнику электрического тока, внутри металла возникает электрическое поле.

Это поле с электрической силой начинает толкать каждый свободный электрон в сторону положительного полюса источника («+»). На беспорядочное тепловое движение частиц накладывается их согласованный медленный дрейф в одну общую сторону:

• Электрический ток в металлических проводниках представляет собой упорядоченное (направленное) движение свободных электронов под действием электрического поля.

При этом положительные ионы остова кристаллической решётки прочно зафиксированы в своих узлах и в переносе электрического заряда вдоль проводника не участвуют.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ЭЛЕКТРОННОЙ ПРИРОДЫ ТОКА

Электронная природа металлической проводимости была доказана серией блестящих физических экспериментов:

1. Опыт Карла Рикке (1901 г.):
   • Немецкий физик Карл Рикке соединил последовательно три тщательно отполированных металлических цилиндра: два медных и между ними один алюминиевый (Cu — Al — Cu).
   • Через эти цилиндры в течение целого года непрерывно пропускали ток от трамвайной электросети (за год протёк гигантский суммарный заряд около 3,5 миллионов кулонов).
   • Последующее взвешивание на высокоточных весах и тончайший химический анализ показали: ни один атом меди не проник в алюминий, и наоборот, а масса каждого цилиндра осталась абсолютно неизменной.
   • Вывод: электрический ток в металлах не сопровождается переносом вещества самого металла. Носителями тока служат не химические ионы, а единые, универсальные для всех металлов частицы.
2. Опыт Леонида Мандельштама и Николая Папалекси (1913 г.):
   • Российские физики раскрутили катушку с большим количеством витков медной проволоки до высокой скорости, а затем резко затормозили её.
   • Если внутри проводника имеются свободные частицы, обладающие массой, то при резкой остановке катушки они должны по закону инерции продолжить своё движение вперёд вдоль витков.
   • Подключённый к катушке гальванометр в момент торможения действительно зафиксировал кратковременный всплеск электрического тока! Это неопровержимо доказало наличие свободных подвижных носителей заряда, обладающих инерцией (массой).
3. Опыт Томаса Стюарта и Ричарда Толмена (1916 г.):
   • Американские учёные развили и усовершенствовали установку Мандельштама и Папалекси.
   • По направлению отклонения стрелки измерительного прибора они строго доказали, что движущиеся по инерции частицы заряжены отрицательно.
   • Измерив заряд протёкшего импульса тока, учёные вычислили удельный заряд носителей (отношение заряда частицы к её массе, $e/m$). Эта величина совпала со значением удельного заряда электрона, открытого Дж. Дж. Томсоном.

ТРИ СКОРОСТИ В ПРОВОДНИКЕ: ПАРАДОКС МГНОВЕННОГО СВЕТА

При изучении электрического тока в металлах важно чётко различать три совершенно разные скорости:

• Скорость хаотического теплового движения электронов: составляет около 100–300 км/с при комнатной температуре. Это скорость беспорядочного метания электронов между ионами.
• Скорость направленного дрейфа электронов (скорость упорядоченного движения тока): на удивление мала — всего около долей миллиметра в секунду (примерно 0,1–1 мм/с). При такой медленной скорости электрон преодолевал бы путь по шнуру настольной лампы несколько часов.
• Скорость распространения электрического поля: равна скорости света в вакууме ($c \approx 300\,000$ км/с).

Почему же лампочка в комнате загорается мгновенно после щелчка выключателя?

Всё дело в том, что по проводам со скоростью света распространяются не сами электроны, а электрическое поле! При замыкании ключа электрическое поле практически мгновенно охватывает весь проводник от батарейки до лампочки. Это поле одновременно приводит в согласованное движение все миллиарды свободных электронов, которые уже находились по всей длине провода и непосредственно в самой вольфрамовой нити лампы. Электроны внутри нити лампы начинают смещаться и нагревать её в ту же долю секунды, когда замкнулся выключатель.