1 Основные положения электронной теории проводимости металлов. Законы Ома и Джоуля-Ленца с точки зрения электронной теории.

Электронная теория объясняет различные свойства вещества существованием и движением в нем электронов.

В классической электронной теории электроны проводимости рассматриваются как электронный газ, подобный идеальному одноатомному газу. При этом предполагается, что движение электронов подчиняется законам классической механики Ньютона.

Немецкий физик П. Друде в 1900 г., опираясь на представление об электрическом токе в металлах как упорядоченном движении свободных электронов между ионами кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля, создал теорию электропроводимости металлов. В основе этой теории лежат следующие допущения:

1 свободные электроны в металлах ведут себя как молекулы идеального газа; «электронный газ» подчиняется законам идеального газа;

2 движение свободных электронов в металле подчиняется законам классической механики Ньютона;

3 свободные электроны в процессе их хаотического движения сталкиваются не между собой (как молекулы идеального газа), ас ионами кристаллической решетки;

4 при столкновениях электронов с ионами электроны передают ионам всю свою энергию полностью.

На основе электронной теории удалось объяснить основные законы электрического тока в металлах.

В опытах, выполненных Н.Л. Мандельштамом и Н.Д. Папалекси (1913), а также Стюартом и Толменом (1916) было экспериментально подтверждено, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов.

Катушка изолированной проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси, проходящей через центры проволочных витков. При резком торможении катушки в ней появлялся кратковременный электрический ток. Количественные измерения показывали, что этот ток представляет собой инерционное движение частиц, имеющих массу и заряд электрона. Ток в катушке оказывается весьма кратковременным, так как движущиеся по инерции электроны, сталкиваясь с ионами кристаллической решетки металла, быстро теряют свою скорость (упорядоченное движение). Для того, чтобы получить постоянный электрический ток необходимо поддерживать внутри проводника постоянное электрическое поле, то есть необходимо поддерживать постоянную разность потенциалов (напряжение) на концах проводника.

Таким образом, электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.

2 Термоэлектричество. Контактная разность потенциалов и работа выхода.

а) Термоэлектричество.

Можно ли получить электрический ток непосредственно из теплоты?

Можно! Явление перехода теплоты непосредственно в электричество было открыто в 1821 году физиком Зеебеком.

Опыт.

Если взять две проволоки из разных металлов, например железа и константана, и спаять их концы. Затем один спай нагреть, а другой поддерживать при более низкой температуре, то возникнет электрический ток в незначительном количестве, который можно обнаружить с помощью гальванометра.

Два металла, спаянные своими концами, называются термопарой или термоэлементом.

Ток, полученный от термоэлемента, называется термоэлектрическим током.

Термо – ЭДС термопары зависит от разности температур спаев: .

б) Работа выхода.

Теоретической физикой установлено, что свободные электроны в металлах обладают значительными запасами кинетической энергии. Те электроны, скорость которых в данный момент направлена к поверхности металла, могли бы вылетать наружу, но положительные ионы решетки препятствуют этому.

Чтобы электрон смог вылетать из металла, он должен совершить работу против этих сил, втягивающих его в металл.

Минимальную работу которую должен совершить электрон за счет своей кинетической энергии для того, чтобы выйти из металла называют работой выхода.

Условие выхода электрона: , где соответственно масса и скорость электрона.

Работа выхода определяется по формуле .

Работа выхода выражается в электрон – вольтах (эВ).

1 эВ – это энергия, приобретаемая электроном, прошедшим разность потенциалов 1В.

1 эВ=.

Работа выхода зависит от рода металла и от чистоты его поверхности его поверхности.

Поскольку при нагревании метола средняя кинетическая энергия его свободных электронов возрастает и при достаточно высокой температуре, некоторые электроны смогут вылететь с поверхности металла.

Вылет свободных электронов из металла, вызванный его нагреванием называется термоэлектронной эмиссией.

в) Контактная разность потенциалов.

В одном и том же металла плотность электронов в единице объема одинакова, но различна для разных металлов. Если приведем в соприкосновение две пластины из разных металлов, то в результате разной работы выхода электронов и различной плотности электронов в единице объема произойдет убывание электронов в одной пластине и накопление их в другой. В этом случае возникает разность потенциалов, отличная от нуля.

Разность потенциалов, возникающая между разнородными металлами при их соприкосновении, называется контактной разностью потенциалов, если повысить температуру, двух пластинок из разных металлов, тогда их контактная разность потенциалов увеличится. Это происходит потому, что с повышением температуры увеличивается кинетическая энергия электронов.

И так, если взять две проволоки из разных металлов и спаять их концы, то при разной температуре контактов возникает термоэлектродвижущая сила, под действием которой идет термоэлектрический ток в цепи. В этом случае тепло, подводимое к контакту, преобразуется непосредственно в электрический ток.

Вопросы для самопроверки:

1. Что объясняет электронная теория проводимости?

2. Какие допущения лежат в электронной теории проводимости?

3. Что представляет собой электрический ток в металлах?

4. Можно ли получить электрический ток непосредственно из теплоты?

5. Что называют термопарой или термоэлементом?

6. Что называется термоэлектрическим током?

7. Что называют работой выхода?

8. Что называется термоэлектронной эмиссией?

9. Что называется контактной разностью потенциала?

10. Как получают ток непосредственно из теплоты?