Учебник - Электричество - Калашников С.Г. (1238776), страница 71
Текст из файла (страница 71)
ст., а — в см, то для воздуха Ь = 0,000617 при температуре 23 'С, Из формулы (144.4) видно, что для введения необходимой поправки в выражение (144.3) нужно заменить в нем вязкость и на ч 1+ Ь/ар В опытах Милликена сначала определяли заряд капельки до, полученный ею при распылении. Затем в пространстве между обкладками создавались ионы, для чего воздух в конденсаторе подвергался действию рентгеновских лучей, ультрафиолетовых лучей или излучения радиоактивных препаратов. Ионы оседали на капельку, ее заряд изменялся и принимал значения д1, дг и т.д.
Сравнивая найденные заряды, а также их изменения (ч1 де), (дг — д1),..., можно определить общий наибольший делитель этих количеств, который, очевидно, н является зарядом электрона. Наряду с рассмотренным существуют и другие методы определения заряда электрона. На основании сопоставления всех экспериментальных данных в настоящее время считают, что наиболее точное значение заряда электрона равно е = 1,б02189 10 '9 Кл. 332 пРиРОЛА тОкА в метАллАх и полупРОВОдпикАх Гл х1у й 145.
Природа носителей заряда в металлах Выше мы неоднократно говорили, что электрический ток в металлах есть движение электронов и что ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда. Сейчас мы рассмотрим опытные доказательства этого. Прежде всего отметим, что если бы при электрическом токе происходило движение ионов, то электрический ток в металлах должен был бы обязательно сопровождаться переносом вещества металла. Чтобы проверить, имеет лн место зто явление, Рике произвел специальные опыты, в которых электрический ток проходил в течение года через три поставленных друг на друга цилиндра — медный, алюминиевый и медный.
Несмотря на то, что общий заряд, прошедший через цилиндры, достигал огромного значения около 3,5 МКЛ, никакого проникновения л!еталлов друг в друга обнаружено не было и масса цилиндров сохранялась с погрешностью до ~0,03 мг. Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов.
Идею этих опытов разъясняет рис. 250. Представим себе кусок незаряженного металла, движущийся с постоянной оков ростью о. Вместе с металлом будут двигаться с той же скоростью и электроны, и поэтому никакого движения электронов рис. 2хо. идеи опытов с инерцией о носительно кристаллической электронов решетки, а следовательно, и электрического тока не будет. Однако электроны, помимо заряда, обладают еще и массой, и поэтому им присуща определенная инерция. При всяком изменении скорости движения металла электроны будут либо отставать от движения решетки, либо его опережать, отчего возникает электрический ток. Это явление можно сравнить с толчками, испытываемыми пассажирами трамвая при резкой остановке вагона или резком трогании с места.
Легко видеть, что направление этого тока зависит от знака заряда подвижных частиц в металле. Так, например, прн торможении металла (ускорение !' направлено слева направо, рис. 250) частицы будут опережать решетку и двигаться относительно нее справа налево. Если частицы несут положительный заряд, то и возникающий ток 1+ будет направлен также справа налево.
Если же частицы заряжены отрицательно, то направление тока 1 будет противоположно. Поэтому, исследуя на опыте направление возникающего тока, можно определить знак носителей заряда в металлах. Измеряя же еще и значение заряда, пере- 1 ыз ПРИРОДА нОсителей ЗАРядА в метАллАх 333 песенного этим током, можно определить отношение заряда к массе е/т носителей заряда, а следовательно, и установить их природу. Идея этого опыта была высказана в 1913 г. Л.И.
Мандельштамом и Н.Д. Папалекси. Они произвели качественные опыты и установили, что в катушке с проволокой, совершающей вращательные колебания вокруг своей оси, действительно возникает переменный ток. Затем этот опыт был предложен вновь Г. Лоренцем и осуществлен с количественными результатами Толменом и Стюартом в 1916 г. Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рис. 251. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы обмотки были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру при помощи длинных гибких проводов, скручивающихся при вращении катушки.
После раскручивания катушки она резко тормозилась специальным приспособлением. Общая длина обмотки составляла примерно 500 м, а линейная скорость движения проволоки достигала 300 м/с. При измерениях тщательно устранялось действие магнитного поля Земли, которое могло бы вызвать появление индукционных токов. опыта Толмеиа и Опыты показали, что при торможении ка- Стюарта тушки в цепи действительно возникает кратковременный ток, а его направление соответствует отрицательно заряженным частицам.
В этих опытах было определено отношение заряда к массе носителей заряда е/гп. При помощи простых рассуждений легко показать, что заряд 9, протекающий по цепи за время торможения катушки, выражается формулой д — е Я (145. 1). где эо — начальная линейная скорость проволоки, 1 — ее длина, аа — сопротивление цепи. Поэтому, измеряя заряд д баллистическим гальванометром н зная остальные (легко определяемые) величины эо, 1 и В, можно найти значение е/тп.
Зная значение элементарного заряда е, можно было найти массу гп носителей заряда в металлах. Она оказалась порядка 10 зо кг, примерно в 2000 раз меньше массы самого легкого атома — водорода (тн = 1,67 10 ~~ кг). Это показало, что носителями заряда в металлах никоим образом не могут быть заряженные атомы (иовы). С другой стороны, найденное значение е/т близко к значению е/тп для электронов, получаемо- 334 ПРИРОДА ТОКА В МЕТАЛЛАХ И ПОЛУПРОВОДНИКАХ ГЛ Х!Ъ' му другими методами, в частности по отклонению электронов в электрических и магнитных полях. о'е Е = — тв —. ~й Сила, отнесенная к единице заряда, т.е, напряженность поля сторонних сил Е', равна ш 4с Е* = — — —.
е гй Отсюда, пользуясь формулой (69.2), находим ЭДС, развивающуюся в цепи при торможении катушки; тл ое И! = — — — й е ое где 1 — длина проволоки катушки. Если Й— тока, вызываемого этой ЭДС, равна п1 1 ~Ь е ЛВ Поэтому заряд, прошедший по цепи за полное определяется формулой О О сопротивление цепи, то сила врелгя торможения катушки, го~ Г, тлЬ у. г е В е й $ 146. Причина электрического сопротивления результаты опытов, описанных в предыдущем параграфе, показывают, что в металлах имеются электроны, способные перемещаться по металлу.
Такие электроны получили название элекшроиов проводимостпи. Так как в отсутствие тока объемных зарядов в металлах нет (в проводнике постоянного сечения их нет и при наличии тока), то отсюда можно заключить, что в металлах имеются еще и положительные заряды, которые, однако, не принимают участия в образовании тока. Положительные заряды металла представляют собой ионы, образующие кристаллическую решетку металла. Электроны проводимости движутся в металлах не свободно, но испытывают соударения с ионами решетки. В отсутствие внешнего электрического поля электроны совершают только беспорядочное тепловое движение — каждый электрон описывает сложную траекторию, подобную траектории атома газа или частицы, совершающей броуновское движение (рис.
252 а). Вследствие беспорядочности теплового движения количество Формула (145Д) легко выводится следующим образом. при торможении катушки на электроны действует сила инерции, которая и является в данном случае сторонней силой (З б4). При ускорении проволоки бе/М на адин электрон действует сила з »46 ПРИЧИНА ЭЛЯКТРИЧЯСКО!'О СОПРОТИВЛЕНИЯ 335 электронов, движущихся в любом направлении, в среднем всегда равно числу электронов, перемещающихся в противоположном направлении. Поэтому в отсутствие внешнего поля суммарный заряд, переносимый электронами в любом направлении, равен нулю. При наложении внешнего электрического поля электроны получают дополнительное упорядоченное движение в направлении, противоположном направлению поля (так как заряд электронов отрицательный; рис.
252 б). Поэтому фактическое движение электронов представляет собой сумму беспорядочного и упорядоченного движений, а следовательно, появляется преимущественное направление движения электронов (рис. 252 е). В этом случае число электронов, движущихся противоположно полю, бу- б дет болыпе числа электронов, Г перемещающихся в направле- е нии поля, так что возникнет перенос электрического заряда, т.е, электрический ток. Рассмотрс»»ная картина движения электроноВ при- Рис. 252. Движение электронов в водит закже к объяснению металле: а) беспорядочное тепяозлектрического сопротивления все движение в отсутствие злектриметаллов. Между двумя после- ческого поля (отрезки пути между довательными соударениями столкновениями показаны дпн проЭлектроны движутся под дей- стоги одинаковыми); б) составляюстВием поля с ускорением и шая движения злектронов под дей- ствием электрического поля; в) факприобретают определенную тическсе движение электронов энергию.
Эта энергия передается полностью или частично положительным ионам при соударениях и превращается в энергию беспорядочного колебания ионов, т.е. в тепло. Поэтому при наличии тока металлы нагреваются. Точно так же после исчезновения внешнего поля упорядоченное движение электронов вследствие соударений быстро превращается в беспорядочное тепловое движение, и анектрический ток прекращается. Таким образом, движение электронов в металлах происходит с трением, которое вызвано соударениями и подобно внутреннему трению в газах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
