2. Классическая теория электропроводности и ее затруднения. Объяснение законов Ома, Джоуля-Ленца, Видемана-Франца на основе классической электронной теории.

В металлах содержится большое количество электронов. Совокупность всех электронов образует «электронный газ». К «электронному газу» полностью применимы законы идеального газа.

Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т. е. Электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металлов. Это представление о природе носителей тока в металлах основывается на электронной теории проводимости металлов, созданной немецким физиком П. Друде и разработанной в последствии нидерландским физиком Х. Лоренцем, а также на ряде классических опытов, подтверждающих положения электронной теории. Поэтому: электрический ток в металлах – направленное движение электронов, а не ионов (опыт Рикке: при длительном пропускании тока не наблюдалось взаимного проникновения вещества).

Существование свободных электронов в металлах можно объяснить следующим образом: при образовании кристаллической решетки металла (в результате сближения изолированных атомов) валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от атомов металла, становятся «свободными» и могут перемещаться по всему объему. Электроны проводимости при своем движении сталкиваются с ионами решетки, в результате чего устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. Итак:

1. Электроны в металлах совершают хаотичное (тепловое) движение со скоростью , любой электрон имеет энергию:

;

Эта энергия равна ,T – температура электронного газа.

- скорость хаотичного движения электрона.

В обычных условиях - порядок скорости приблизительно . Под действием источника ЭДС электроны упорядоченно движутся со скоростью.

;

;

;

– концентрация электронов ().

– плотность тока ().

.

Казалось бы, что полученные результаты противоречат факту практически мгновенной передачи электрических сигналов на большие расстояния. Дело в том, что замыкание цепи влечет за собой распространение электрического поля со скоростью света. И через время (-длина цепи) вдоль цепи установится стационарное электрическое поле, и в ней начнется упорядоченное движение электронов. Поэтому электрический ток в цепи возникает практически одновременно с её замыканием.

Объяснение закона Ома с точки зрения классической электронной теории.

Пусть в металлическом проводнике существует электрическое поле с напряженностью . Тогда движение электронов в проводнике носит характер свободных пробегов от столкновения к столкновению с ионами. Сила, которая действует со стороны источника, – вызывает ускорение электрона на путиза время.

;

;

где -максимальная скорость электрона на участке свободного пробега.

;

;

;

- тепловая скорость электронов, а - средняя скорость упорядоченного движения электронов.

;

Плотность тока в металлическом проводнике:

;

Коэффициент пропорциональности между и- ни что иное как проводимость, следовательно:

;

;

Объяснение закона Джоуля-Ленца с точки зрения классической электронной теории

Температура определяется энергией ионов металла. Электроны при столкновении с ионами отдают энергию, следовательно, температура повышается. К концу свободного пробега электрон под действием поля приобретает дополнительную энергию:

Один электрон в одну секунду может отдать энергию:

;

где Z-число столкновений.

В объеме за время t выделяется теплота:

;

приводим к виду:

, где .

Следовательно, закон Джоуля-Ленца был доказан классической теорией.

Закон Видемана-Франца

Металл обладает как электропроводностью, а так как электроны – газ, то и теплопроводностью. Электроны, перемещаясь в металле переносят не только электрический заряд, но и присущую им электрическую энергию.

-теплопроводность электронного газа.

– плотность электронного газа

– удельная теплопроводность при V=const

- электропроводность.

;

;

- закон, полученный из опыта.

Недостатки теории:

1. Из опыта , из теории ;

2. Квантовая теория сообщает, что электронный газ вообще не имеет теплоемкости.

3. Потенциальность электростатического поля. Скалярный потенциал. Неоднозначность скалярного потенциала и его нормировка. Потенциал точечного заряда, системы точечных зарядов и непрерывного распределения зарядов.

Потенциал электростатического поля.Способы описания электростатического поля:

1. Векторный () – силовая характеристика,

2. Скалярный (φ) – энергетическая характеристика.

φ (x,y,z) -- потенциал электростатического поля, скалярная характеристика электростатического поля полностью (!) описывающая электростатическое поле

φ (x,y,z) <=> (x,y,z) (т.е зная φ можно восстановитьи наоборот). В СИ единица измерения φ = [В]

Определение Разностью потенциалов в двух точках (1) и (2) φ_-φ₂ -- называется отношение A₁₂ (работы по перемещению пробного единичного положительного заряда из (1) в (2), которую совершает поле) к заряду q_пр.

Расчетная формула

интеграл может быть взят по любому пути соединяющему (1) и (2)

если (1) и (2) лежат на силовой линии, то в качестве линии, соединяющей (1) и (2) нужно взять силовую.

Понятие потенциала можно ввести для любого потенциального векторного поля. (потенциал гравит. силы, потенциал скорости и т.д.)

Потенциал Часто в качестве точки (2) выбирают точку, потенциал которой по определению = 0.

φ₂ = 0

В теории – такая точка бесконечно удаленная: .

Замечание Это можно сделать лишь тогда, если заряды располагаются в ограниченной области пространства и их нет на бесконечности.

На практике -- потенциал земли = 0.

Потенциал электростатического поля в т. B(x,y,z) назыв.

потенциал какой-то точки, когда в  = 0.

Расчетная формула:

Потенциал поля точечного заряда

Рис. 18

Путь из точки B в ∞ может быть любым, т.к. поле потенциально. Наиболее удобно выбрать L вдоль радиуса вектора, проведенного из точечного заряда

=> dl = dr;

E_l = E_r = E(r); => =>

формула имеет смысл для r ≠ 0, т.к. r →∞ .

Т.к. поле точечного заряда фундаментально => для нахождения потенциала поля системы зарядов нужно применить принцип суперпозиций:

потенциал поля системы точечных зарядов равен сумме потенциалов, издаваемых в рассматриваемой точке каждым из зарядов.

а) потенциал поля системы точечных зарядов:

б) потенциал поля непрерывного распределения зарядов:

где dq = ρ∙dV -- при объемном распределении заряда,

dq = σ∙dS -- при поверхностном

dq = λ∙dl -- при линейном.

Применение формулы поля точечного заряда и принципа суперпозиций составляет основу метода непосредственного интегрирования и позволяет рассчитать потенциал поля новой системы зарядов. Графически потенциал изображается в виде эквипотенциальных поверхностей и линий на которой он принимает постоянное значение = const.

Примеры расчета потенциала

1. Равномерно заряженная бесконечная нить. (Рис. 19)

Дано:;

_____________

 (r₁)-(r₂) -?

Т.к. поле нити имеет осевую симметрию и => в качестве линииL, соединяющей 1 и 2 берем отрезок силовой линии, соединяющей точки 1 и 2. => =>