Физика для всех. Электроны - Китайгородский А.И.
Скачать (прямая ссылка):
О плазме в магнитных бутылях мы упомянем еще в четвертой книге. Читатель несомненно .встречался, с упоминанием, а может быть и с описанием установок типа «токамак». Над их усовершенствованием работает большая армия ученых. Дело заключается в том, что возможность создания высокотемпературной плазмы может привести к слиянию легких атомных ядер, которое сопровождается выделением колоссальной энер-
3* • , 67
гии. В бомбах этот процесс физики научились осущест^, влять. А вот удастся ли создать плазму, которая об- і ладала бы достаточно высокой температурой и доста- -\ точным временем жизни, для того чтобы пошла цепная реакция такого типа, которая идет в атомных реак-торах,— на этот важный вопрос пока что ответа нет.
МЕТАЛЛЫ 1
Разделение твердых тел на различные классы по величине их электрического сопротивления определяется подвижностью электронов.
Электрический ток представляет собой поток движущихся заряженных частиц. Когда речь идет о потоках ионов или электронов, мы буквально видим электрический ток. При прохождении через жидкости элект- 1 рический ток также проявляет себя вполне отчетливо, І поскольку на электродах происходи» отложение ве-J щества. Что же касается твердых тел, то о том, что J собой представляет протекающий по ним ток, мы должны I судить лишь косвенно.
Имеется ряд фактов, которые позволяют утверждать следующее. В любых твердых телах атомные ядра не перемещаются. Электрический ток создается электронами. Электроны движутся под действием энергии, которая поставляется источником тока. Этот источник создает внутри твердого тела электрическое поле.
Формула, связывающая напряжение и напряженность электрического поля, остается в силе для любых проводников. Поэтому, объединяя формулы, приведенные на стр. Ни 18,' мы можем записать закон Ома для, твердого проводника в форме:
j = oE
(а=1/р называется удельной электропроводностью).
Электроны твердого тела можно разделить на свя^ занные и свободные/ Связанные электроны принадлежа! определенным атомам, свободйые электроны образуюі своего рода электронный газ. Эти электроны могуч перемещаться по твердому телу. При отсутствии элект рического напряжения поведение свободных электро-» нов беспорядочно. Чем больше помех движению cbo^
68
бодных электронов, чем чаще они сталкиваются с неподвижными атомами и друг с другом, тем больше электрическое сопротивление тела.
В диэлектриках подавляющее большинство электронов имеет своего хозяина — атом или молекулу. Число свободных электронов ничтожно.
В металлах каждый атом отдает один-два электрона в общее пользование. Этот электронный газ и является переносчиком тока.
Исходя из очень грубой ,модели, мы можем прикинуть величину электропроводности и проверить эту модель.
Так же,как мы это делали, когда вели рассуждения относительно газа молекул, предположим, что каждому электрону удается пройти без соударения некоторый путь L Расстояние между атомами металла'равно нескольким ангстремам. Логично допустить, что длина свободного пробега электронов по порядку величины равна 10 A, т. е. 10~7 см.
Под действием ускоряющей силы еЕ движение электрона'происходит в течение времени J/y, где V — скорость электрона. Используя данные, взятые из исследований термоэлектронной эмиссии, хаотическую скорость электронов можно оценить. Порядок величины этой скорости 108 см/с.
Чтобы определить скорость упорядоченного движения электронов, т. е. скорость того движения, которое создает ток, надо помножить ускорение еЕ/т на время свободного пробега. Этим допускается, что каждое соударение прекращает движение электрона, после чего он начинает набирать скорость вновь. Произведя умножение, мы получим значение скорости электронов, создающих ток:
_ еЕ1 ти 9
Теперь поставим перед собой задачу вычислить удельное сопротивление металла. Если получим правильный порядок величины, то значит наша модель «работает».
Предоставим читателю сообразить, что плотность тока / может быть записана как произведение числа электронов в единице объема на заряд электрона и на
60
упорядоченную скорость: }=пеи. Подставляя в эту формулу значение упорядоченной скорости электронов,
поручим: j = Е, т. е. удельная электропров9Дность
равна
пеЧ 0 =-.
/ mv
Если считать, что каждый атом отдает в общее пользование один электрон, то получится, что проводник имеет удельное сопротивление порядка 10~2 Ом • м. Очень разумная величина! Она подтверждает как справедливость грубой модели, так и правильность выбора значения параметров нашей «теорий». Я ставлю слово «теория» в кавычки лишь по той причине, что OHST груба и элементарна. Однако этот пример иллюстрирует типичный физический подход к истолкованию явлений.
^ Согласно теории свободного электронного газа электрическое сопротивление должно уменьшаться с падением температуры. Только лте торопитесь связывать это обстоятельство с изменением хаотической скорости движения электронов. Дело не в ней. Эта скорость мало зависит от температуры. Уменьшение сопротивления связано с тем, что размах колебаний атомов становится меньше, а благодаря этому растет длина свободного пробега электронов.
