Основные положения классической теории электропроводности металлов. Основные положения и опытное обоснование классической электронной теории электропроводности металлов Основные положения классической электронной теории проводимости металлов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА - № 217

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Исследование температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников, определение температурного коэффициента сопротивления металла и ширины запрещенной зоны полупроводника.

ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: Образцы - медная проволока и полупроводник, электронагреватель, термометр, прибор комбинированный цифровой Щ 4300 или вольтметр электронный цифровой ВК7 - 10А.

Основные положения классической теории электропроводности металлов

С позиций классической электронной теории высокая электропроводность металлов обусловлена наличием огромного числа свободных электронов, движение которых подчиняется законам классической механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а взаимодействие их с положительными ионами сводят только к соударениям. Иными словами, электроны проводимости рассматриваются как электронный газ, подобный одноатомному, идеальному газу. Такой электронный газ должен подчи­няться всем законам идеального газа. Следовательно, средняя кинетическая энергия теплового движения электрона будет равна , где - масса электрона, - его среднеквадратичная скорость, k - постоянная Больцмана, Т - термодинамическая температура. Отсюда при Т=300 К среднеквад­ратичная скорость теплового движения электронов »105 м/с.

Хаотичное тепловое движение электронов не может привести к возникнове­нию электрического тока, но под действием внешнего электрического поля в проводнике возникает упо­рядоченное движение электронов со скоростью . Оценить величину можно из соотношения , для j - плотности тока, где - концентрация электронов, e - заряд электрона. Как по­казывает расчет, »8×10-4 м/с. Чрезвычайно малое значение величины по сравнению с величиной объясняется весьма частыми столкновениями электронов с ионами решетки. Каза­лось бы, полученный результат для противоречит тому факту, что передача электрического сигнала на очень большие расстояния происходит практически мгновенно. Но дело в том, что замыкание электрической цепи влечет за собой распро­странение электрического поля со скоростью 3×108 м/с (скорость света). Поэтому упорядоченное движение электронов со скоростью под действием поля возникнет практически сразу же на всем протяжении цепи, что и обеспечивает мгновенную передачу сиг­нала. На базе классической электронной теории был выведен закон электрического тока - закон Ома в диф­фе­ренциальной форме , где g-удельная проводимость, зависящая от природы металла. Электр­оны проводимости, перемещаясь в металле, переносят с собой не только электриче­ский заряд, но и кинетическую энергию беспорядочного теплового движения. Поэтому те метал­лы, кото­рые хорошо проводят электрический ток, являются хорошими проводни­ками тепла. Классическая электронная теория качественно объяснила природу электриче­с­кого сопротивления металлов. Во внешнем поле упорядоченное движение элек­тронов нарушается их соударениями с положительными ионами решетки. Между двумя столкновениями электрон движется ускоренно и приобретает энергию, кото­рую при последующем столкновении отдает иону. Можно считать, что движение электрона в металле происходит с трением, подобным внутреннему трению в газах. Это трение и создает сопротивление металла.

В 1900 году немецкий физик П. Друде создал теорию электропроводности металлов. В основе этой теории лежат следующие допущения:

1. Свободные электроны в металлах ведут себя подобно молекулам идеального газа. Электронный газ подчиняется законам идеального газа.
2. Движение свободных электронов подчиняется законам Ньютона.
3. Свободные электроны в процессе хаотического движения сталкиваются только с ионами кристаллической решетки.
4. При столкновении электронов с ионами электроны передают ионам свою кинетическую энергию полностью.

Согласно данной модели, на отрезке проводника свободные электроны совершают хаотическое тепловое движение. Действующее в проводнике электрическое поле перемещает электроны с небольшой скоростью (скорость дрейфа электронов ~ 0,1 мм/с) вдоль проводника.

Сила тока в проводнике:

I= en< v> S

где n – концентрация свободных электронов в проводнике

< v> – средняя скорость дрейфа электронов

S – поперечное сечение проводника.

С позиции электронной проводимости металлов удалось объяснить причину нагревания проводников при прохождении электрического тока.

Электронная теория проводимости металлов экспериментально подтверждена в 1913 году российскими физиками Л.И. Мандельштамом и Н.Д. Папалекси и в 1916 году американскими физиками Т. Стюартом и Р. Толменом.

Направление электрического тока в проводнике выбрано в сторону движения положительно заряженных частиц.

Отношение заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу времени называется силой тока .

В СИ [I ] = 1 А (Ампер)

Для поддержания электрического тока в проводнике необходимо электрическое поле. Его действие характеризуется электрическим напряжением .

В СИ [U ] = 1 В (Вольт)

Для поддержания постоянного направленного движения заряженных частиц в проводнике электрическое поле должно совершать работу. Эту работу принято называть работой электрического тока .

Работа сил электрического поля или работа электрического тока на участке цепи сопротивлением R и за время t равна:

В СИ [A ] = 1 Дж (Джоуль)

При нагревание проводника растет его температура, следовательно, увеличивается внутренняя энергия. С прекращением роста температуры проводника он начинает передавать окружающим телам некоторое количество теплоты, равное работе электрического тока. Таким образом, формула A= IUt определяет количество теплоты, переданное проводником другим телам.

Для последовательного соединения проводников удобнее воспользоваться формулой.

С позиций классической электронной теории высокая электропроводность металлов обусловлена наличием огромного числа свободных электронов, движение которых подчиняется законам классической механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а взаимодействие их с положительными ионами сводят только к соударениям. Иными словами, электроны проводимости рассматриваются как электронный газ, подобный одноатомному, идеальному газу. Такой электронный газ должен подчи­няться всем законам идеального газа. Следовательно, средняя кинетическая энергия теплового движения электрона будет равна , где - масса электрона, - его среднеквадратичная скорость, k - постоянная Больцмана, Т - термодинамическая температура. Отсюда при Т=300 К среднеквад­ратичная скорость теплового движения электронов »10 5 м/с.

Хаотичное тепловое движение электронов не может привести к возникнове­нию электрического тока, но под действием внешнего электрического поля в проводнике возникает упо­рядоченное движение электронов со скоростью . Оценить величину можно из ранее выведенного соотношения , где j - плотность тока, - концентрация электронов, e - заряд электрона. Как по­казывает расчет, »8×10 -4 м/с. Чрезвычайно малое значение величины по сравнению с величиной объясняется весьма частыми столкновениями электронов с ионами решетки. Каза­лось бы, полученный результат для противоречит тому факту, что передача электрического сигнала на очень большие расстояния происходит практически мгновенно. Но дело в том, что замыкание электрической цепи влечет за собой распро­странение электрического поля со скоростью 3×10 8 м/с (скорость света). Поэтому упорядоченное движение электронов со скоростью под действием поля возникнет практически сразу же на всем протяжении цепи, что и обеспечивает мгновенную передачу сиг­нала.

На базе классической электронной теории были выведены рассмотренные выше основные законы электрического тока - законы Ома и Джоуля-Ленца в диф­фе­ренциальной форме и . Кроме того, классическая теория дала качественное объяснение закону Видемана-Франца. В 1853 г. И.Видеман и Ф.Франц установили, что при определенной темпе­ра­туре отношение коэффициента теплопроводности l к удельной проводимости g оди­наково для всех металлов. Закон Видемана-Франца имеет вид , где b - постоянная, не зависящая от природы металла. Классическая электронная теория объясняет и эту закономерность. Электр­оны проводимости, перемещаясь в металле, переносят с собой не только электриче­ский заряд, но и кинетическую энергию беспорядочного теплового движения. Поэтому те метал­лы, кото­рые хорошо проводят электрический ток, являются хорошими проводни­ками тепла. Классическая электронная теория качественно объяснила природу электриче­с­кого сопротивления металлов. Во внешнем поле упорядоченное движение элек­тронов нарушается их соударениями с положительными ионами решетки. Между двумя столкновениями электрон движется ускоренно и приобретает энергию, кото­рую при последующем столкновении отдает иону. Можно считать, что движение электрона в металле происходит с трением, подобным внутреннему трению в газах. Это трение и создает сопротивление металла.

Вместе с тем классическая теория встретилась с су­щественными затруднениями. Перечислим некоторые из них:

1. Несоответствие теории и эксперимента возникло при расчете теплоемко­сти металлов. Согласно кинетической теории молярная теплоемкость металлов должна складываться из теплоемкости атомов и теплоемкости свободных электронов. Так как атомы в твердом теле совершают только колебательные движения, то их молярная теплоемкость равна С=3R (R=8.31 Дж/(моль×К) - молярная газовая постоянная); свободные электроны двигаются только поступательно и их молярная теплоемкость равна С=3/2R. Общая теплоемкость должна быть С»4.5R , но согласно опытным данным С=3R.

Следует помнить, что если в разветвлѐнной цепи число узлов n , то независимых уравнений по первому правилу можно написать для (n – 1 ) узлов. При применении второго правила каждый следующий контур надо выбирать так, чтобы он содержал хотя бы один участок цепи, не входивший в ранее рассмотренные контуры. Таким образом, используя формулы (3.145) и (3.146), получаем систему уравнений, которую и следует решить для нахождения неизвестных по условию задачи параметров разветвлѐнной цепи.

3.11 Классическая электронная теория электропроводности металлов

Носителями тока в металлах, как было экспериментально установлено, являются электроны. Исходя из представлений о наличии в металлах свободных электронов, Друде и Лоренц создали классическую электронную теорию проводимости металлов.

Существование в металлах свободных электронов можно объяснить тем, что при образовании кристаллической решѐтки в результате сближения атомов и взаимодействия между ними, сравнительно слабо связанные с ядром валентные электроны отрываются от атомов металла, становятся свободными и могут перемещаться по всему объѐму металла. Таким образом, в узлах кристаллической решѐтки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны. В классической электронной теории Друде – Лоренца электроны проводимости ведут себя подобно молекулам идеального газа, правда, в отличие от молекул идеального газа, электроны сталкиваются преимущественно не между собой, а с ионами кристаллической решѐтки. Эти столкновения приводят к установлению теплового равновесия между электронным газом и кристаллической решѐткой, и, следовательно, электронный газ имеет такую же температуру, как и весь металл. Распространяя на электронный газ результаты кинетической теории газов, среднюю скорость теплового движения электронов можно оценить по формуле:

где m e 9 , 1 10 31 кг - масса электрона. Для комнатной температуры

(Т ~ 300 К ) вычисление по формуле (3.147) даѐт значение 10 5 м/с .

При включении электрического поля на хаотическое тепловое движение электронов накладывается упорядоченное движение электронов

(возникает электрический ток) со средней скоростью u , которую можно оценить, исходя из формулы:

j en0 u .

Предельная допустимая плотность тока, например, для медных проводов составляет величину порядка 10 7 А/м 2 , а концентрация валентных электронов для меди n 0 ~ 10 29 м – 3 . Это даѐт для u 10 3 м/с . Таким

образом, u .

Друде считал, что при соударении электрона с узлом кристаллической решѐтки приобретаемая электроном на длине свободного пробега энергия

проводника однородно и под его действием электрон после столкновения движется с ускорением

и к концу свободного пробега приобретѐт в среднем скорость
где - среднее время между двумя последовательными					соударениями.

Друде не учитывал максвелловское распределение электронов по скоростям

приписывал всем

электронам

одинаковую

скорость равную

Следовательно

Средняя

длина свободного

электрона. Скорость

изменяется за время свободного пробега при a const линейно, поэтому

u max

2m e

Подставив это выражение в (3.148), получим:

ne2 E

и, вспоминая закон Ома в дифференциальной форме, получаем для удельной электропроводности:

Отметим, что в соответствии с классической теорией электропроводности, сопротивление металлов обусловлено столкновениями электронов с узлами–ионами кристаллической решѐтки. Для закона Джоуля– Ленца в дифференциальной форме Друде получил

используя тот факт, что на длине свободного пробега электрон приобретает дополнительную кинетическую энергию

			e 2 2
			2 m 2

которую он полностью передаѐт кристаллической решѐтке, а поскольку

соударений, то в единицу времени в единице объѐма должна выделяться энергия

				mu max2			E 2 ,

Лоренц впоследствии усовершенствовал теорию Друде, применив статистику Максвелла – Больцмана, и показал, что к тем же результатам можно прийти, считая соударения электронов с узлами решѐтки абсолютно

упругими, и получил для выражение:

			n2 e2

Классическая теория Друде – Лоренца не смогла объяснить целый ряд явлений, наблюдающихся на опыте. Так из опыта следует, что ~ T , а из

(3.154) следует, что ~ T . При оценке средней длины свободного пробега по формулам (3.154) и (3.158), подставляя туда экспериментальные

больше межатомного расстояния, т. е. приходится предположить, что электрон проходит без соударений с ионами решѐтки сотни межузельных расстояний. Наконец, для электронного газа классическая теория

предсказывала электронный вклад в молярную теплоѐмкость 3 2 R . Однако,

из эксперимента следует, что этот вклад в теплоѐмкость металлов оказывается ничтожно малым. Перечисленные недостатки удалось преодолеть только в квантовомеханической теории электропроводности.

Классическая электронная теория электропроводности металлов и ее опытные обоснования. Закон Видемана-Франца.

Электрический ток в металлах –это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля.
Это предположение было экспериментально подтверждено в опыте К. Рикке (1911).
Через цепь из трех последовательных цилиндров - медного, алюминиевого и снова медного - в течение долгого времени (около года) пропускался электрический ток - в общей сложности через цилиндры прошел заряд 3,5 МКл. Однако никаких следов переноса вещества (меди или алюминия) не было обнаружено. Отсюда следовало, что электропроводность металлов отвечают свободные заряды, общие для всех металлов - на эту роль подходили только электроны.

Еще одно убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов (опыт Толмена и Стьюарта)(1916).

Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру. Раскрученная катушка резко тормозилась, и

в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся гальванометром.

При торможении вращающейся катушки на каждый носитель заряда e массой m действует тормозящая сила, которая играет роль сторонней силы, т. е. силы неэлектрического происхождения:

Сторонняя сила, отнесенная к единице заряда, по определению является напряженностью поля сторонних сил:

Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая сила :

За время торможения катушки по цепи протечет заряд q, равный:

Где – длина проволоки катушки, I – мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, – начальная линейная скорость проволоки.

Полученное в опытах значение удельного заряда носителей тока в металле оказался близким к удельному заряду электрона

Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов , равной по порядку величины числу атомов в единице объема .

Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основе гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории . Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ.

Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла. Из-за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так называемый потенциальный барьер . Высота этого барьера называется работой выхода .

При обычных (комнатных) температурах у электронов не хватает энергии для преодоления потенциального барьера. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это позволяет оценить среднюю скорость теплового движения электронов по формулам молекулярно-кинетической теории:

При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток. Величина дрейфовой скорости электронов лежит в пределах 0,6 – 6 мм/c. Таким образом, средняя скорость упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше средней скорости их теплового движения.

Малая скорость дрейфа не противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического поля со скоростью c = 3·10 8 м/с. Через время (l – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля и в ней начинается упорядоченное движение электронов.

В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом поле энергию и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.

Несмотря на то, что все эти допущения являются весьма приближенными, классическая электронная теория качественно объясняет законы электрического тока в металлических проводниках: закон Ома , закон Джоуля – Ленца и объясняет существование электрического сопротивления металлов.

Закон Ома:

Электрическое сопротивление проводника.