Электрический ток в металлах

Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. Этими частицами могут являться не только свободные электроны, но и ионы. 

Металлы являются отличными проводниками. Какие частицы приходят в движение под действием электрического поля в них: электроны или ионы?

На данном уроке вы узнаете ответ на этот вопрос. Мы вспомним некоторые факты о строении металлов и рассмотрим процессы, которые будут происходить в этих веществах при протекании тока.

Строение металлов

Находясь в твердом агрегатном состоянии, металлы обладают кристаллической решеткой. Это упорядоченная структура: каждый атом находится в строго определенном месте.

Но какие частицы тогда будут обеспечивать протекание электрического тока? Дело в тем, что в узлах кристаллической решетки находятся положительные ионы (рисунок 1). В пространстве меду этими ионами беспрестанно двигаются свободные электроны.

Вспомним немного о том, что же представляют собой такие частицы, как ионы. В обычных условиях атомы электрически нейтральны. Электроны несут отрицательный заряд, а протоны, находящиеся в ядре — положительный. Заряд этот по модулю одинаков. Таким образом, в электрически нейтральном атоме количество электронов будет равно количеству протонов в ядре.

Если атом теряет хоть один электрон, он теряет свою электронную стабильность. Теперь суммарный положительный заряд всех протонов в ядре по абсолютному значению больше отрицательного заряда электронов. Такой атом называют положительным ионом.

В таком строении кроется ответ на вопрос: “Почему в обычных условиях металл электрически нейтрален?”.

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решетки.

Обратите внимание на тот факт, что не все электроны в металлах являются свободными. Часть из них остается связанными с ядрами атомов, а другая их часть — беспорядочно движется между этими атомами. 

Эти электроны изначально находятся на самых удаленных от ядра орбитах. Они слабо связаны с ядром. Поэтому они могут довольно легко переходить от одного атома к другому, повторяя этот процесс множество раз. Именно это движение мы и называем беспорядочным движением свободных электронов.

{"questions":[{"content":"В металле[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["часть электронов связана с ядрами, а часть является свободными","все электроны свободные","нет свободных электронов"],"answer":[0]}}}]}

Ток в металлах

Создадим в металле электрическое поле с помощью любого источника тока. Положительные ионы останутся в узлах кристаллической решетки. В движение придут именно свободные электроны под действием электрических сил. Их движение станет направленным (рисунок 2).

При этом сохранится и беспорядочность этого движения. Как это можно представить? Вообразите себе стайку мошкары, где каждое насекомое беспорядочно двигается. Если подует ветер, то эта стайка начнет перемещаться в одном направлении, при этом беспорядочное движение внутри этой стайки сохранится. На это и будет похоже движение электронов под действием электрических сил.

Теперь мы можем определить природу электрического тока в металлах и дать ему определение.

Электрический ток в металлах — это упорядоченное движение свободных электронов.

{"questions":[{"content":"Электрической ток в металлах представляет собой[[choice-5]]","widgets":{"choice-5":{"type":"choice","options":["направленное движение электронов","направление движение положительных ионов","направленно движение отрицательных ионов","беспорядочное движение электронов"],"answer":[0]}}}]}

Доказательные опыты

Сделанные нами выводы построены не просто на рассуждениях, но и множество раз доказаны эмпирически. Российские ученые Леонид Исаакович Мандельштам (рисунок 3) и Николай Дмитриевич Папалекси (рисунок 4) провели ряд интересных опытов. Эти опыты позже были подтверждены американскими физиками Бальфуром Стюартом и Робертом Толменом.

Суть опытов заключалась в следующем. Уже известно, что в металле есть какие-то свободные заряды, и они обладают массой. Тогда они должны испытывать на себе инерцию.

Для проверки этого предположения металлический проводник нужно было привести в движение, а затем резко остановить. Для удобства использовали вращательно движение, а не поступательное.

Металлическую проволоку наматывали на деревянный каркас и раскручивали (рисунок 5). После резкой остановки с помощью гальванометра фиксировали возникновение тока.

Было определено, что именно электроны вылетали из проводника. Установили это, определяя отношение заряда к массе его носителя. Эти данные для электрона у ученых уже имелись.

Скорость распространения электрического поля и тока в металлах

После создания электрического поля свободные электроны приходят в движение. Скорость их движения совсем небольшая. В среднем она составляет несколько миллиметров в секунду.

Но как тогда после щелчка выключателем лампа в комнате загорается мгновенно? Дело обстоит в следующем.

Именно само электрическое поле распространяется в проводнике с огромной скоростью. Она близка к скорости света в вакууме ($c = 300 \space 000 \frac{км}{с}$). Распространяется поле по всей длине проводника.

Соответственно, в движение приходят одновременно все электроны в проводнике. И те, что ближе к выключателю, и те, что ближе к электроприбору.

Например, пошлем электрический сигнал из Владивостока в Москву. Расстояние между этими городами составляет около 8000 км. В Москве сигнал будет зафиксирован уже через 0,03 с. Это не означает, что электроны от Владивостока проделали весь этот путь за указанное время и прибыли в Москву. Нет, это электрическое поле распространилось по проводам с невероятной скоростью и привело в движение самые ближние к приемнику в Москве электроны в движение, которое и было зафиксировано.

Поэтому, когда говорят о скорости распространения тока в проводнике, то имеется в виду скорость распространения электрического поля по всей длине проводника.

{"questions":[{"content":"Под действием электрического поля электроны в металлическом проводнике движутся со скоростью[[choice-10]]","widgets":{"choice-10":{"type":"choice","options":["несколько миллиметров в секунду","несколько метров в секуду","света","большей, чем скорость света"],"explanations":["","","Со скоростью света распространяется по проводнику электрическое поле.",""],"answer":[0]}}}]}

Скорость движения электронов в металлах

С какой скоростью все же двигаются сами электроны в металлах? Давайте ответим на этот вопрос и сравним полученную скорость со скоростью света, т.е. со скоростью распространения электрического поля по проводнику.

Скорость движения электронов при действии на них электрических сил называется дрейфовой скоростью.

Величина дрейфовой скорости электронов лежит в пределах $0.6 — 6 \frac{мм}{с}$.

Сравним среднее значение этой скорости ($2.7 \frac{мм}{с}$) со скоростью света. Для этого переведем значение, выраженное в $\frac{мм}{с}$ в $\frac{м}{с}$:
$\upsilon_e = 2.7 \frac{мм}{с} = 2.7 \cdot 10^{-3} \frac{м}{с}$.

Сравним со скоростью света:
$\frac{c}{\upsilon_e} = \frac{3 \cdot 10^8 \frac{м}{с}}{2.7 \cdot 10^{-3} \frac{м}{с}} \approx 1 \cdot 10^{11} \approx $ Сравним со скоростью света:
$\frac{c}{\upsilon_e} = \frac{3 \cdot 10^8 \frac{м}{с}}{2.7 \cdot 10^{-3} \frac{м}{с}} \approx 1 \cdot 10^{11} \approx 10^{11} $.

Получается, что скорость распространения электрического поля по проводнику (скорость света) больше в $10^{11}$ раз скорости движения электронов под действием этого же электрического поля.

{"questions":[{"content":"Дрейфовая скорость электронов - это скорость, с которой они двигаются[[choice-19]]","widgets":{"choice-19":{"type":"choice","options":["под действием электрического поля","хаотично","при повышении температуры","при электризации тел"],"answer":[0]}}}]}