8.6 Протиріччя класичної теорії електропровідності металів

Досягненням класичної теорії електропровідності металів є те, що вона пояснила такі експериментальні закони: 1) закон Ома; 2) закон Джоуля-Ленца; 3) закон Відемана-Франца. Але ряд експериментальних фактів пояснити не вдалося. Розглянемо ці протиріччя теорії і експерименту.

–Температурна залежність опору металів. По теорії ця залежність визначається (8.10) температурною залежністю середньої арифметичної швидкості електронів (6.24), так як ні концентрація n, ні довжина вільного пробігу λ (див. положення 1, розділ 8.2), а тим більше заряд і маса електрона, не залежать від температури. Таким чином, по теорії (рис.8.7, а).

Експеримент же дає (рис.8.7, б) лінійну залежність

. (8.21)

ρ_о – питомий опір при 0^оС; - (8.22)

температурний коефіцієнт опору. Він показує відносну зміну опору при зміні температури на 1 градус.

Більш того, при наднизьких температурах у декілька Кельвінів має місце перехід у надпровідний стан (опір різко зменшується до нуля). Класична теорія ніяк не може пояснити це явище.

– Якщо по експериментально виміряному значенню питомого опору порахувати за формулою (8.10) довжину вільного пробігу електрона λ, одержується значення ~ 10^-8м, що на два порядки більше, ніж у положенні 1, розділ 8.2 ~ 10^-10м. Теорія не може пояснити таке дивне поводження електрона в щільно упакованій кристалічній гратці, щоб він пролітав сотню міжатомних відстаней, не стикаючись з іонами.

–Неузгодження з теплоємностями. По класичній теорії теплоємність металів повинна бути більшою, ніж діелектриків, на величину теплоємності електронного газу. Для одного моля ця різниця повинна складати 3/2∙R (див. (6.49)).

Експеримент же дає, що молярна теплоємність при не дуже низьких температурах для всіх твердих тіл (і металів і діелектриків) однакова і дорівнює 3R. Цей закон встановили французькі фізики П. Дюлонг і А. Пті у 1819 році. Пізніше було встановлено, що при низьких і наднизьких температурах теплоємність твердих тіл зменшується до нуля ~ Т³ ( закон П. Дебая, 1912 р.). Класична теорія не може пояснити ці експериментальні факти. Все це спонукало розробку більш досконалої, квантової теорії електропровідності.

8.7 Закони Кірхгофа для розгалужених електричних кіл

Дамо означення декільком понятям електричних схем:

Вузол електричної схеми – це точка, в якій сходяться більше двох провідників.

Вітка – ділянка схеми між двома сусідніми вузлами.

Контур - довільна замкнута дільниця схеми.

Лінійно незалежні контури – це такі, які відрізняються по крайній мірі однією віткою.

Одним із методів розрахунку розгалужених електричних кіл є метод законів Г.Кірхгофа (нім. фізик), сформульованих ним у 1847 р.

Перший закон: алгебраїчна сума струмів у вузлі дорівнює нулю

(8.23)

Струми, які направлені до вузла і від нього, беруться з протилежними знаками (рис.8.8). I₄ + I₃ – I₂ – I₁ = 0

Другий закон: Алгебраїчна сума падінь напруг вздовж будь-якого контуру дорівнює алгебраїчній сумі е.р.с., які увімкнені в цей же контур.

(8.24)

Уцих сумах знак (+) береться тоді, коли з довільно вибраним напрямком обходу контура співпадає довільно вибраний напрямок струму у вітці, чи напрямок дії е.р.с. В противному випадку береться (–).

Для зображеної схеми (рис.8.9) рівняння 2-го закону Кірхгофа мають вид:

для контура 1

для контура 2 .