§ 37. Электронная проводимость металлов

Определения и обозначения

Электронная проводимость металлов — способность металлов проводить электрический ток благодаря движению свободных электронов. Это название указывает на носителей заряда: в металлах ток создают именно электроны, а не перемещающиеся по проводу атомы. Понятие помогает объяснить, как устроен ток внутри металлического проводника.

Свободные электроны — электроны, слабо связанные с отдельными атомами и способные перемещаться по кристаллической решётке металла. Они не принадлежат всё время одному атому, а могут переходить в разные части проводника. Поэтому при наличии электрического поля эти частицы могут переносить электрический заряд.

Электронный газ — совокупность свободных электронов внутри металла, движущихся между узлами его кристаллической решётки. Это не обычный газ: электроны остаются внутри твёрдого металла и взаимодействуют с частицами решётки. Такое название удобно для описания множества подвижных электронов как единой системы.

Дрейф электронов — направленное движение свободных электронов под действием электрического поля. Отдельные электроны продолжают хаотически двигаться и сталкиваться с частицами металла, но у их движения появляется общее направление. Именно дрейф создаёт электрический ток в металлическом проводнике.

Как это устроено

В атомах металла некоторые внешние электроны удерживаются ядрами слабее, чем в атомах многих других веществ. Поэтому они могут отделиться от отдельных атомов и стать общими для всего куска металла, тогда как положительные ионы остаются около узлов решётки. В результате внутри металла появляются подвижные носители заряда. Способность электронов перемещаться и объясняет, почему металлы хорошо проводят ток.

Даже когда проводник не подключён к источнику, свободные электроны не стоят на месте. Они непрерывно движутся хаотично, получая энергию теплового движения и сталкиваясь с частицами решётки. В любой момент отдельные электроны могут перемещаться в разные стороны, но в среднем движение в одну сторону уравновешивается движением в противоположную. Поэтому общего переноса заряда вдоль провода нет и электрический ток не возникает.

Когда проводник соединяют с источником напряжения, внутри него появляется электрическое поле. Оно действует на заряженные электроны и изменяет их движение: поверх хаотического движения возникает небольшое общее перемещение. Электроны продолжают двигаться беспорядочно и часто меняют направление при столкновениях, однако в среднем смещаются вдоль проводника. Это направленное движение и называют дрейфом, а его возникновение означает, что в проводнике идёт ток.

Электрон имеет отрицательный заряд, поэтому сила со стороны электрического поля направлена для него противоположно направлению поля. Условное направление электрического тока исторически связывают с движением положительных зарядов. Поэтому в металлической цепи электроны дрейфуют от отрицательного полюса источника к положительному, а ток условно направлен от положительного полюса к отрицательному. При решении задач эти направления нужно различать.

На пути через металл электроны сталкиваются с ионами решётки и передают им часть своей энергии. Из-за таких взаимодействий движению электронов мешает сопротивление, а энергия поля превращается во внутреннюю энергию проводника. Частицы решётки начинают колебаться сильнее, поэтому металл нагревается. При повышении температуры колебания ионов усиливаются, и электронам труднее двигаться без столкновений.

Движение электронов в металле и электрический ток

Сравнивайте движения по причине и по результату: хаотическое движение существует и без источника, но само по себе тока не создаёт. Дрейф возникает под действием электрического поля и связан с током. Столкновения происходят в обоих случаях, однако при дрейфе они также объясняют сопротивление и нагревание проводника.

Разбор задач

Почему неподключённый проводник не проводит ток?

Условие. Металлический проводник не соединён с источником электрического напряжения. Нужно объяснить, почему в нём нет тока, хотя свободные электроны присутствуют и движутся. Для ответа рассмотрим не движение одного электрона, а суммарное перемещение зарядов.

1. Свободные электроны в металле движутся хаотично из-за теплового движения.
2. Без подключённого источника нет электрического поля, которое задавало бы движению общее направление.
3. Перемещения электронов в разные стороны в среднем компенсируются, поэтому переноса заряда вдоль провода нет.

Ответ: электроны движутся, но хаотически; их среднее перемещение в любом направлении равно нулю, поэтому электрический ток не возникает. Чтобы получить ток, нужно создать в проводнике электрическое поле.

Куда движутся электроны и куда направлен ток?

Условие. Металлический проводник подключён к источнику, у которого есть отрицательный и положительный полюса. Нужно определить направление дрейфа электронов и условное направление тока. Не следует подменять одно направление другим: заряд электронов отрицательный.

1. Электрическое поле заставляет свободные электроны дрейфовать от отрицательного полюса источника к положительному.
2. Условное направление тока принимают таким, каким двигались бы положительные заряды.
3. Следовательно, ток направлен от положительного полюса к отрицательному, то есть противоположно движению электронов.

Ответ: электроны движутся от минуса к плюсу, а условный ток направлен от плюса к минусу. Для проверки достаточно вспомнить, что электрон несёт отрицательный заряд.

Почему нагревается спираль и что меняется при нагревании?

Условие. Через металлическую спираль проходит ток, и она нагревается. Нужно связать нагрев с движением электронов и сравнить спираль до нагревания и после него. Важно учесть, что хаотическое движение электронов есть и в холодном, и в нагретом металле.

1. Электрическое поле вызывает дрейф электронов вдоль спирали, а электроны сталкиваются с ионами кристаллической решётки.
2. При столкновениях часть энергии передаётся решётке; колебания её частиц усиливаются, и внутренняя энергия спирали растёт.
3. В нагретом проводнике ионы колеблются интенсивнее, чем в холодном, поэтому столкновения с электронами становятся более частыми.

Ответ: спираль нагревается из-за передачи энергии от электронов частицам решётки. В холодном и нагретом проводнике электроны движутся и хаотически, и под действием поля дрейфуют, но при более высокой температуре ионы колеблются сильнее.

Типичные ошибки

Ошибка: думать, что электроны начинают двигаться только после подключения источника. Так считают, потому что связывают любое движение электронов с появлением тока. Проверь себя: тепловое движение существует постоянно, а ток возникает лишь тогда, когда появляется общее направленное движение зарядов.

Ошибка: путать движение электронов с условным направлением тока. Путаница возникает из-за того, что оба направления описывают одну цепь. Проверь себя: в металле электроны идут от минуса к плюсу, а ток условно направлен от плюса к минусу.

Ошибка: представлять дрейф прямолинейным и равномерным движением без препятствий. Такая картина кажется простой, но в металле электроны сталкиваются с частицами решётки и меняют направление. Проверь себя: дрейф означает только наличие среднего направления, а не движение каждого электрона по прямой.

Ошибка: считать, что электроны очень быстро проходят от источника к потребителю. Это впечатление появляется из-за быстрого включения прибора, но быстро распространяется действие электрического поля, а не сами электроны. Проверь себя: различай скорость распространения поля и медленное дрейфовое перемещение электронов.

Связь с другими темами

Для понимания электронной проводимости нужны знания о строении атома и электрическом заряде: они объясняют происхождение подвижных электронов. Представление об электрическом поле, силе тока и напряжении помогает разобраться, почему возникает дрейф. Столкновения электронов с решёткой связывают эту тему с сопротивлением, законом Ома и нагреванием проводников. Далее эти знания пригодятся при изучении зависимости сопротивления металлов от температуры и устройства электрических цепей.

Что запомнить

• Носителями тока в металлах являются свободные электроны.
• Свободные электроны образуют электронный газ внутри кристаллической решётки металла.
• Без электрического поля электроны движутся хаотично, поэтому тока нет.
• Электрическое поле вызывает направленное дрейфовое движение электронов.
• Электроны движутся противоположно условному направлению тока.
• Столкновения электронов с ионами решётки обусловливают электрическое сопротивление.
• Часть энергии электрического поля при столкновениях превращается во внутреннюю энергию проводника.