Электроны в цепи постоянного тока падают, как парашютисты, не нарушая второго закона Ньютона. Как должно двигаться тело, на которое действует Постоянная сила?

 Ответ: тело под действием постоянной силы движется равно-ускоренно. Этого требует один из основных законов механики — второй закон Ньютона. Как же должны двигаться свободные электроны в металле, если на них действует с постоянной силой электрическое поле? Не спешите с ответом. Электроны движутся с постоянной средней скоростью, причем легко убедиться, что эта скорость пропорциональна напряженности электрического поля, т. е. действующей силе. Именно этот факт выражается законом Ома, который в школьном учебнике для IX класса формулируется так: для однородной цепи сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению.

 Вспомним, что сила тока в проводнике определяется зарядом, прошедшим через поперечное сечение проводника за единицу времени. Так, если сила тока равна 1 А, то через сечение проводника за 1 с проходит 6,2-1018 электронов. Ясно, что сила тока прямо пропорциональна средней скорости движения электронов. Приложенное напряжение, в свою очередь, пропорционально напряженности электрического поля, т.е. силе, действующей на электроны.

 В чем же кажущееся противоречие между законом Ома и вторым законом Ньютона? Оно вызвано тем, что мы забыли о непрерывных столкновениях электронов с ионами кристаллической решетки. Разогнавшийся в электрическом поле электрон при столкновении с ионом теряет приобретенную кинетическую энергию и вновь разгоняется. Таким образом, столкновения с ионами создают сопротивление электрическому току. Вот почему средняя скорость электронов, несмотря на ускорение их электрическим полем, остается постоянной.

 Здесь есть некоторая аналогия с падением парашютиста. Хотя на него и действует сила тяжести, он падает с постоянной скоростью, так как сопротивление воздуха компенсирует действие силы тяжести (рис. 7).

 Теперь уместно привести несколько цифр. Среднее время между двумя столкновениями электрона с ионами решетки очень мало. В меди оно не превышает, например, 3 * 10 ^-14 с. Какой же путь проходит электрон за это время? Умножая приведенную выше среднюю скорость электрона 10 в 7-ой см/с на 3*10 в -14-ой с, мы получим 3*10 в -7-ой см. Мало ли это расстояние? С чем его разумно сравнить? Его надо сравнить с расстоянием между ионами кристаллической решетки, которое примерно равно 3*10^-8 см.

 Не кажется ли вам странным полученный результат? Электрон «проявляет удивительную ловкость», пробегая мимо девяти притягивающих его ионов, и сталкивается в среднем только с каждым десятым (рис. 8)

 Вы вправе удивляться. В самом деле, объяснить такое движение, основываясь лишь на законах классической физики, нельзя. Мы здесь впервые сталкиваемся с тем обстоятельством, что такие фундаментальные законы, как законы Ньютона, закон Кулона, закон Ома, еще недостаточны для полного описания наблюдаемых явлений. Мы должны сделать вывод о том, что эти законы классической физики характеризуют поведение электрона в металле лишь приближенно. Более точный, расчет, движения электронов в металле стал возможен лишь с развитием, на заре XX в. квантовой физики.

 Однако не спешите отбрасывать как «устаревшие» законы классической физики. Многие и очень многие опытные факты они описывают с такой высокой точностью, что применять в этих случаях квантовые законы было бы совершенно неразумно.

 Итак, направленному движению электронов мешают «качающиеся» тяжелые и большие ионы. Это и создает сопротивление движению электронов — вызывает электрическое сопротивление металла. Если металл нагревать, то «пляска» ионов становится все более бурной, и они сильнее мешают двигаться электронам (рис. 9), поэтому электрическое сопротивление металла при его нагревании увеличивается!

Подведем краткий итог.

 Металлы хорошо проводят электрический ток, так как уже при комнатной температуре в них имеется большое количество (например, в меди 3,1* 10^22 электронов на 1 см3) свободных электронов. Электроны являются носителями электрического заряда в металле. Движению свободных электронов в металле мешают попы кристаллической решетки и тем больше, чем выше температура металла. Поэтому электропроводимость металлов с повышением температуры уменьшается.

 Такова простейшая модель, поясняющая протекание тока через металл.

Похожие материалы: