ФИЗИКА

Природа носителей тока в металлах. Для выяснения природы носителей тока в металлах был поставлен ряд опытов. Прежде всего, отметим опыт Рикке. Он взял три цилиндра – два медных и один алюминиевый – с тщательно отшлифованными торцами. Через такой составной проводник (Cu-Al-Cu) непрерывно в течение года пропускался ток одного и того же направления. За всё время через цилиндры прошёл заряд, равный 3,5 ⋅ 106 Кл. Взвешивание показало, что пропускание тока не оказало на вес цилиндров никакого влияния. При исследовании соприкасавшихся торцов под микроскопом не было обнаружено проникновения одного металла в другой. Отсюда следовало, что перенос заряда в металлах осуществляется не атомами, а какими-то частицами, входящими в состав всех металлов. Такими частицами могли быть открытые в 1897 г. Томсоном, электроны.

Чтобы отождествить носители тока в металлах с электронами, нужно было определить знак и числовое значение удельного заряда носителей . Опыты, поставленные с этой целью, основывались на следующих соображениях. Если в металлах имеются способные перемещаться заряженные частицы, то при торможении металлического проводника эти частицы должны некоторое время продолжать двигаться по инерции, в результате чего в проводнике возникает импульс тока и будет перенесён некоторый заряд.

Рис.7.6.14

Пусть проводник движется вначале со скоростью (рис. 7.6.14). Начнём тормозить его с ускорением . Продолжая двигаться по инерции, носители тока относительно проводника приобретут ускорение - . Такое же ускорение можно сообщить носителям в неподвижном проводнике, если создать в нём электрическое поле напряжённости , т.е. приложить к концам проводника разность потенциалов

где т и е' – масса и заряд носителя;

ℓ - длина проводника.

В этом случае по проводнику потечёт ток силы , где R – сопротивление проводника (I считается положительной, если ток течёт в направлении движения проводника). Следовательно, за время dt через каждое сечение проводника пройдёт заряд .

Заряд, прошедший за время торможения, равен

(заряд положителен, если он переносится в направлении движения проводника).

Таким образом, измерив ℓ, ν0 и R, а также заряд q, проходящий по цепи при торможении проводника, можно найти удельный заряд носителей.

Количественный результат был впервые получен Толменом и Стюартом и соответствовал электронам.

Так экспериментально было доказано, что носителями тока в металлах являются электроны.

Ток в металлах можно вызвать крайне малой разностью потенциалов. Это даёт основание считать, что носители тока – электроны перемещаются по металлу практически свободно.

Существование в металлах свободных электронов можно объяснить тем, что при образовании кристаллической решётки от атомов металлов отщепляются валентные электроны, которые и становятся «коллективной» собственностью всего куска металла. Если от каждого атома отщепится по одному электрону, то концентрация свободных электронов n будет иметь порядок n = 1028 - 1029 м-3 (1022 - 1023 см-3).

к к к