§ 36. Электрический ток в металлах

упорядоченное (направленное) движение свободных электронов под действием электрического поля:

• 1. Причина возникновения — электрические силы, действующие со стороны поля на отрицательно заряженные свободные электроны, заставляющие их смещаться к положительному полюсу.
• 2. Направление переноса заряда — электроны движутся от отрицательного полюса к положительному (навстречу условному направлению электрического тока).

пространственная структура твёрдого металла (рис. 80):

• 1. Ионный остов — в узлах правильной кристаллической решётки расположены положительно заряженные ионы металла, совершающие непрерывные тепловые колебания около своих положений равновесия.
• 2. Свободные электроны («электронный газ») — электроны внешних оболочек атомов (валентные), слабо связанные с ядрами, легко отрываются от них и свободно хаотически перемещаются по всему объёму металла в межионном пространстве.

ключевые исторические эксперименты:

• 1. Опыт Карла Рикке (1901 г.) — три плотно прижатых цилиндра (медь — алюминий — медь) находились под током непрерывно в течение целого года. Точнейший химический анализ показал полное отсутствие диффузии и переноса вещества между контактами. Доказано: ток переносят не ионы кристаллической решётки, а единые для всех металлов элементарные заряженные частицы — электроны.
• 2. Опыт Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (1913 г.) — быстро вращающуюся катушку с проводом резко тормозили; свободные носители зарядов по инерции продолжали движение вперёд, возбуждая кратковременный импульс тока в цепи гальванометра.
• 3. Опыт Т. Стюарта и Р. Толмена (1916 г.) — усовершенствовали методику инерционного опыта, точно измерив направление тока и удельный заряд частиц: отношение заряда к массе (q/m$) оказалось отрицательным и строго равным удельному заряду электрона (e/m $\approx$ -1{,}76 \cdot 10^{11} ext{ Кл/кг}$).

• 1. Скорость теплового хаотического движения электронов — огромна и составляет порядка ext{ км/с}$ (^5 ext{ м/с}$).
• 2. Скорость упорядоченного дрейфа электронов — крайне мала и при стандартных токах в бытовой проводке составляет доли миллиметра в секунду (около {,}1 ext{--}1 ext{ мм/с}$).
• 3. Скорость распространения электрического поля (скорость тока) — равна скорости электромагнитных волн в вакууме: $\approx$ 300\,000 ext{ км/с}$. Именно поэтому электрические цепи срабатывают практически мгновенно при замыкании выключателя.

Немецкий физик-экспериментатор, профессор Гёттингенского университета, экспериментально доказавший отсутствие переноса вещества металлов при протекании электрического тока.

• В 1901 году поставил классический опыт с тремя составными цилиндрами из меди и алюминия (Cu — Al — Cu), непрерывно пропускавшими ток городской трамвайной сети в течение целого года.
• Высокоточное взвешивание и химический анализ полированных торцов цилиндров доказали полное отсутствие взаимного проникновения атомов меди и алюминия, а также неизменность массы образцов.
• Опыт Рикке опроверг гипотезу о переносе заряда ионами металла и экспериментально обосновал, что носителями тока служат универсальные частицы, одинаковые для всех проводников.

Выдающийся российский и советский физик, академик АН СССР, один из основателей отечественной школы радиофизики и теории нелинейных колебаний, доказавший инерционную природу носителей тока в металлах.

• В 1913 году совместно с Н. Д. Папалекси осуществил классический эксперимент с быстрым вращением и резким торможением катушки с проводом, доказавший существование свободных носителей заряда в проводниках.
• Зафиксировал с помощью чувствительного гальванометра импульс электрического тока в момент торможения, возникающий из-за продолжения упорядоченного движения свободных заряженных частиц по инерции.
• Создал фундаментальные основы отечественной школы теории колебаний и радиофизики, разработал методы параметрической генерации колебаний и внёс выдающийся вклад в оптику и спектроскопию.

Выдающийся российский и советский физик, академик АН СССР, соавтор фундаментального опыта по доказательству инерционной природы носителей тока и один из основоположников отечественной радиоастрономии.

• В 1913 году совместно с Л. И. Мандельштамом сконструировал прецизионную установку и впервые экспериментально подтвердил наличие свободных подвижных носителей заряда в металлических проводниках.
• Доказал, что носители тока обладают собственной массой (инерцией), благодаря чему продолжают прямолинейное движение вдоль витков катушки при её мгновенной механической остановке.
• Внёс выдающийся вклад в создание первых советских радиопередатчиков, радиопеленгации и теории нелинейных колебаний, а также возглавил пионерские радиолокационные исследования Луны.

Американский физик-теоретик и физикохимик, профессор Калифорнийского технологического института, экспериментально доказавший электронную природу тока в металлах и измеривший удельный заряд электрона.

• В 1916 году совместно с Т. Стюартом модернизировал методику исследования инерции зарядов во вращающихся катушках, осуществив знаменитый опыт Толмена — Стюарта.
• По направлению кратковременного импульса тока при торможении катушки строго доказал, что движущиеся по инерции свободные частицы в металлических проводниках заряжены отрицательно.
• Вычислил отношение электрического заряда свободных носителей к их массе (удельный заряд e/m), доказав его тождество удельному заряду электрона, открытого Дж. Дж. Томсоном.

Американский физикохимик и экспериментатор, соавтор классического опыта Толмена — Стюарта по количественному исследованию и доказательству электронной природы проводимости металлов.

• В 1916 году совместно с Р. Толменом провёл прецизионные баллистические измерения электрического заряда, протекающего по цепи катушки при её резком торможении после быстрого раскручивания.
• Экспериментально подтвердил отрицательный знак носителей тока в различных металлических проводниках и их одинаковое для всех исследованных металлов отношение заряда к массе.
• Полученные в опыте Стюарта и Толмена результаты дали первое строгое количественное доказательство того, что свободными носителями тока в металлах являются электроны.

Электрический ток в металлах образуют свободные электроны.

• Физическое обоснование: Металлы в твёрдом состоянии представляют собой кристаллическую решётку, в узлах которой прочно зафиксированы положительные ионы, способные лишь колебаться на месте. Электроны внешних электронных оболочек атомов слабо связаны с ядрами; они легко отрываются и становятся свободными («обобществлёнными»).
• При возникновении электрического поля массивные связанные ионы остова решётки не могут покинуть свои узлы (что доказал опыт Рикке), тогда как лёгкие свободные электроны беспрепятственно начинают направленно дрейфовать вдоль проводника.

При возникновении в металле электрического поля хаотическое (беспорядочное) тепловое движение свободных электронов не прекращается:

• На это быстрое хаотическое тепловое движение (со скоростями порядка сотен километров в секунду) накладывается медленное упорядоченное поступательное смещение (дрейф) всех электронов в одну сторону — в направлении положительного полюса источника тока (против силовых линий напряжённости поля).
• Данное движение наглядно уподобляют рою мошкары: отдельные мошки стремительно и беспорядочно мечутся в воздухе во всех направлениях, однако под действием лёгкого дуновения ветра весь рой целиком плавно и согласованно сносится в одну сторону.

Природа тока в металлах была окончательно доказана серией классических фундаментальных экспериментов:

• 1) Опыт Карла Рикке (1901 г.): Учёный собрал проводник из трёх тщательно отполированных цилиндров — двух медных и одного алюминиевого посередине — и пропускал через них постоянный ток непрерывно более года. Общий прошедший заряд превысил 3,5 миллиона кулонов. Взвешивание и химический анализ торцов показали, что масса цилиндров не изменилась и ни один атом меди не проник в алюминий. Это доказало: атомы и ионы металла ток не переносят; носителями являются одинаковые для меди и алюминия частицы.
• 2) Опыт Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (1913 г.): Катушку с намотанным проводом раскручивали до огромной скорости вокруг оси и затем резко тормозили тормозным колодочным устройством. По инерции свободные микрочастицы продолжали движение по виткам, создавая импульс тока, зафиксированный телефоном и гальванометром.
• 3) Опыт Т. Стюарта и Р. Толмена (1916 г.): Точно измерив заряд импульса и направление тока при торможении катушки, американские физики доказали: носители заряжены отрицательно, а отношение заряда к массе частиц ($q/m$) в точности совпало со значением удельного заряда электрона, найденным Дж. Дж. Томсоном.

При замыкании цепи выключателем электрическое поле распространяется по проводам со скоростью света в вакууме ($\approx$ 300\,000 ext{ км/с}$).

• Это поле создаётся практически мгновенно на всём протяжении домашней проводки — от источника питания через выключатель прямо до нити накаливания или светодиодного драйвера лампы.
• Свободные электроны уже присутствуют во всех сечениях металлического проводника и в самой спирали лампы. Под действием мгновенно возникшего поля все они начинают упорядоченное движение одновременно по всей длине цепи.
• Лампе не нужно «ждать», пока электрон из настенного выключателя добежит до патрона люстры: движение носителей заряда начинается в самой спирали в ту же миллисекунду, заставляя её немедленно светиться.