Teoria electronică a conductivității metalelor a fost inițial creată de P. Drude în 1900 și a fost dezvoltată în continuare în lucrările lui G. Lorenz. Din punct de vedere al teoriei electronice clasice, conductivitatea electrică ridicată a metalelor se explică prin prezența unui număr imens de purtători de curent - electroni de conducere care se deplasează în întregul volum al conductorului. Drude a sugerat că electronii de conducere dintr-un metal pot fi considerați ca un gaz electron care posedă proprietățile unui gaz monatomic ideal. În timpul mișcării lor, electronii de conducere se ciocnesc cu ionii laturii cristaline a metalului. Prin urmare, putem vorbi despre calea medie liberă a electronilor, care ar trebui să fie de aceeași ordine de mărime ca și perioada laturii cristaline a metalului, adică 10-8 cm.
Folosind legile teoriei cinetice a gazelor, determinăm energia cinetică medie a mișcării termice a electronilor:
unde m este masa și vk este viteza medie pătrată a electronilor. La o temperatură de 0 ° C, vkv este de 110 km / sec. Același lucru este ordinea de mărime a uap-ului vitezei aritmetice medii a mișcării termice a electronilor.
Mișcarea termică a electronilor datorită naturii sale haotice nu poate conduce la apariția unui curent electric.
Sub influența unui câmp electric extern, o mișcare ordonată de electroni apare într-un conductor metalic, adică apare un curent electric. Densitatea curentului j este egală cu sarcina totală a tuturor electronilor care trec într-o secundă printr-o unitate de secțiune transversală a conductorului. Acești electroni sunt incluși în volumul unui cilindru a cărui suprafață de bază este egală cu unitatea, iar înălțimea este viteza medie a mișcării ordonate a electronilor sub acțiunea unui câmp electric extern. Dacă nu există electroni pe unitatea de volum, valoarea numerică a densității curente este exprimată prin formula
Să estimăm ordinea de mărime a vitezei medii a mișcării ordonate a electronilor. Pentru un cablu dintr-un material specific și o secțiune transversală specificată, există o sarcină maximă tehnic admisibilă, depășind astfel o supraîncălzire periculoasă a firului. De exemplu, pentru un fir izolat de cupru cu o secțiune de 1 mm 2, densitatea maximă admisă de curent este de 11 • 10 6 A / m 2. Deoarece cuprul densității volumetrice a electronilor de conducere nu este »8,5 × 10 28 m -3. și valoarea absolută a sarcinii electronice e = 1,6 x 10 -19 Cl, apoi conform formulei (20,23), viteza medie a electronilor în aceste condiții este egală cu:
Astfel, viteza medie a mișcării ordonate a electronilor, care determină prezența unui curent electric în conductor, este extrem de mică în comparație cu viteza medie a mișcării lor termice la temperaturi obișnuite. O valoare nesemnificativă a vitezei medii se explică prin ciocnirile foarte frecvente ale electronilor cu ioni ai rețelei cristaline.
Cum poate fi convertită o valoare foarte mică a acestei viteze de electroni cu transmisia aproape instantanee a semnalelor electrice, de exemplu semnalele telegrafice, pe distanțe foarte lungi?
Închiderea circuitului electric la stația de plecare implică propagarea câmpului electric în fire și în jurul acestora. Orice schimbare a câmpului electric este transmisă de-a lungul firelor la o viteză mare c, egală cu 3 × 10 8 m / s (viteza luminii). Astfel, după o perioadă în care L este lungimea firului, se stabilește un câmp staționar de-a lungul lanțului și începe o mișcare ordonată a electronilor conductori. Dacă L = 1000 m, atunci t = 0,3 • 10 - 5 secunde. Prin urmare, mișcarea electronilor sub acțiunea unui câmp electric extern apare pe toată lungimea firului aproape simultan cu semnalul.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: