В частности, это зависит от концентрации носителей заряда и их подвижности. Движение свободных электронов в металлах не является полностью "свободным", поскольку во время своего движения они взаимодействуют с другими электронами, и прежде всего с ионами кристаллической решетки. Специфика этого движения описывается так называемой классической моделью проводимости. Основные предположения и выводы этой модели в большом упрощении представлены ниже.

Основные предположения и выводы этой модели представлены в большом упрощении.

Классическая модель проводимости Без внешнего электрического поля электроны совершают тепловые хаотические движения, сталкиваясь друг с другом, а также сталкиваясь с ионами кристаллической решетки. В результате такого движения среднее положение электронов практически не меняется, см. рис. Пример траектории электрона при его хаотическом тепловом движении в металле Из-за квантовых эффектов, и в частности из-за принципа запрета Паули, который не позволяет всем электронам занимать наименьшее энергетическое состояние, средняя скорость электронов в металлах, связанная с их хаотическим тепловым движением, больше, чем у частиц в классическом идеальном газе той же температуры.

Ускоренное движение электрона длится лишь довольно короткое время, пока он не столкнется с ионом кристаллической решетки. В результате такого столкновения электрон теряет почти всю свою кинетическую энергию. Однако задержавшийся электрон не остается в покое - он снова ускоряется под действием электрического поля, снова сталкивается с одним из ионов кристаллической решетки и так далее.

Этот эффект добавляет к скорости теплового движения дополнительную направленную среднюю скорость u, которая из-за отрицательного заряда электрона имеет направление, противоположное напряженности внешнего электрического поля.

Эту скорость называют средней скоростью дрейфа Рис. Дрейф электрона под действием внешнего электрического поля В проводнике начинает течь электрический ток силой I см.

Из полученной формулы следует, что скорость дрейфа, помимо внешнего электрического поля, определяется средним временным интервалом между столкновениями электронов с ионами решетки. Этот параметр зависит от многих факторов, включая температуру, кристаллическую структуру металла, дефекты кристаллической структуры, примеси, и, как выясняется, существенно влияет на электрическое сопротивление материала. Классическая теория проводимости достаточно хорошо описывает явление электропроводности в металлах.

Но эта теория не может объяснить экспериментально наблюдаемую зависимость электрического сопротивления от температуры. Причина упомянутой неудачи классической теории проводимости заключается в том, что она не учитывает влияние ионов решетки на движение электронов между столкновениями.

Более близкие к реальности результаты дает квантовая теория проводимости, которая описывает электроны как частицы, подчиняющиеся квантовой статистике, движущиеся в периодическом электрическом поле, создаваемом положительными ионами решетки. Выводы простыми словами Отрицательный заряд всех свободных электронов абсолютно равен положительному заряду всех ионов решетки. Поэтому при нормальных условиях металл электрически нейтрален. Свободные электроны в нем движутся беспорядочно.

Но если в металле создать электрическое поле, то под действием электрических сил свободные электроны начинают двигаться направленно. Возникает электрический ток. Случайное движение электронов сохраняется, подобно случайному движению роя мошек, когда ветер перемещает их в одном направлении.

Но если создать в металле электрическое поле, свободные электроны начнут двигаться направленно.

Физика 8. Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. Так, например, когда цепь электрической лампы замыкается, электроны в спирали лампы также движутся упорядоченно. Сравнение электрического тока с потоком воды в водопроводной системе и распространение электрического поля с распространением давления воды поможет нам понять это.

Когда вода поднимается в водопроводный бак, ее давление очень быстро распространяется по всей водопроводной системе. Когда мы включаем кран, вода уже находится под давлением и сразу же начинает течь. Но вода, которая была в кране, течет, а вода из башни достигает крана гораздо позже, потому что вода движется медленнее, чем распространяется давление.

Вода из крана течет медленнее, чем распространяется давление.

Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, имеют в виду скорость распространения электрического поля по проводнику.

Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, имеют в виду скорость распространения электрического поля по проводнику.

Навигация

Comments

  1. Думаю, имеется ввиду и то, и то


Add a Comment

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *