- •3. ЭЛЕКТРОСТАТИКА. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.
- •3.1. Электростатика. Электрический заряд. Электростатическое поле. Вектор напряженности электрического поля, силовые линии.
- •3.3 Работа сил электрического поля при перемещении зарядов. Циркуляция вектора напряженности. Потенциал, связь потенциала с напряженностью.
- •3.4 Диполь. Поле диполя. Диполь во внешнем электрическом поле.
- •3.5 Электрическое поле в диэлектриках. Типы диэлектриков. Поляризованность. Диэлектрическая проницаемость.
- •3.6 Условия на границе раздела двух диэлектриков.
- •3.8 Электроемкость уединенного проводника. Конденсаторы.
- •3.9 Энергия системы неподвижных зарядов. Энергия заряженного проводника и конденсатора. Энергия и объемная плотность энергии электрического поля. Энергия поляризованного диэлектрика.
- •3.11 Классическая электронная теория электропроводности металлов
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:
|
|
8kT |
|
, |
(3.147) |
|
|||||
|
|
me |
|
где me 9,1 10 31 кг — масса электрона. Для комнатной температуры
(Т ~ 300 К) вычисление по формуле (3.147) даѐт значение 105 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:
43
j en0 u . |
(3.148) |
Предельная допустимая плотность тока, например, для медных проводов составляет величину порядка 10 7 А/м2, а концентрация валентных электронов для меди n0 ~ 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
|
m u |
2 |
передаѐтся иону |
и в результате столкновения его |
скорость |
|
|
|
|||
2 |
|
||||
|
|
|
|
||
направленного движения |
становится равной нулю. Поле E |
внутри |
проводника однородно и под его действием электрон после столкновения движется с ускорением
a |
eE |
, |
|
(3.149) |
|
|
|
|
|||
|
me |
|
|
||
и к концу свободного пробега приобретѐт в среднем скорость |
|
||||
u |
eE |
, |
(3.150) |
||
|
|||||
max |
|
me |
|
|
|
|
|
|
|
||
где — среднее время между двумя последовательными |
соударениями. |
Друде не учитывал максвелловское распределение электронов по скоростям
и |
приписывал всем |
|
электронам |
|
|
|
одинаковую |
|
скорость равную |
|||||||||||||
|
u |
|
, так как |
u . |
Следовательно |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
u |
|
|
|
eE |
|
, |
(3.151) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
me |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
max |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где |
|
|
— средняя |
длина свободного |
пробега |
|
электрона. Скорость |
|||||||||||||||
изменяется за время свободного пробега при a const линейно, поэтому |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
u |
umax |
|
|
|
eE |
. |
|
(3.152) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2me |
|
|
|
||||||
Подставив это выражение в (3.148), получим : |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
j |
|
ne2 E |
|
, |
|
|
|
|
|
(3.153) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2m |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и, вспоминая закон Ома в дифференциальной форме, получаем для удельной электропроводности :
44
|
ne2 |
|
, |
(3.154) |
|
2m |
|
||||
|
|
|
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
|
ne2 |
|
E 2 |
, |
(3.155) |
|
2m |
|
|||||
|
|
|
|
используя тот факт, что на длине свободного пробега электрон приобретает дополнительную кинетическую энергию
mu2 |
e2 2 |
|
|
|
||
max |
|
|
E 2 |
, |
(3.156) |
|
2 |
2m 2 |
|||||
|
|
|
|
которую он полностью передаѐт кристаллической решѐтке, а поскольку
каждый электрон претерпевает в единицу времени в среднем |
1 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
соударений, то в единицу времени в единице объѐма должна выделяться энергия
n |
1 |
|
mumax2 |
|
ne2 |
E 2 , |
(3.157) |
|
2 |
2m |
|||||||
|
|
|
|
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:
|
3 |
|
n2e2 |
|
. |
(3.158) |
2 |
|
me |
|
|||
|
|
|
|
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
значения |
1 |
получается, что |
оказывается на несколько порядков |
|
|
||||
|
|
|
больше межатомного расстояния, т. е. приходится предположить, что электрон проходит без соударений с ионами решѐтки сотни межузельных расстояний. Наконец, для электронного газа классическая теория
45
предсказывала электронный вклад в молярную теплоѐмкость 32 R . Однако,
из эксперимента следует, что этот вклад в теплоѐмкость металлов оказывается ничтожно малым. Перечисленные недостатки удалось преодолеть только в квантовомеханической теории электропроводности.
46