Металдағы, вакуумдағы және газдағы электр тогы.

Алғаш рет жоғары дәлдікпен электронның зарядын 1909 ж. американдық физик Р. Милликен анықтаған. Электр заряды өзгерісінің дискреттік сипатын Милликен тәжірибе жүзінде анықтап, элемен-тар зарядтың бар екендігін растады. Пульверизатордың көмегімен майдың ұсақ тамшылары горизонталь орналасқан конденсатор пластиналарының арасындағы кеңістікке шашыратылады.

Конденсатордағы кернеудің таңбасы мен шамасын реттеу арқылы шашырау кезінде электрленген тамшыларды қозғалмайтындай етіп ұстап тұруға болады.

Тепе–теңдік күйдің орнықталу шарты

4 r 3 ( - 

3 0

 

) g = q U,

d

мұндағы  - майдың тығыздығы,

r - тамшының радиусы.

 0 - ауа тығыздығы, q - тамшының заряды,

Тәжірибеде алдымен тамшының шашыраған кезде иеленетін заряды анықталған. Одан кейін конденсатордағы ауаны рентген сәулелерінің әсерімен иондаған. Иондар тамшының бетіне қонғандықтан, оның заряды өзгереді де q 1, q 2... мәнге ие болады.

Заряд өзгерісінің мәндерін өлшеген кезде олар үнемі электрон зарядына тең

e =1,60∙10-19 Кл шамаға бүтін еселі болып шықты.

Металдардағы ток тасушылар еркін электрондар болып табылады. 1913 жылы орыс физиктері С.Л. Мандельштам және Н.Д. Папалексидің ұсынылған идеясы бойынша жүргізілген электрондар инерциясымен байланысты тәжірибелерде металдардағы токтың табиғаты электрондық екені әбден дәлелденді. Американдық физик Р. Толмен және шотландық физик Б. Стюарт өз тәжірибелерінде сандық нәтижелерді алды. Тәжірибелер келесі түсініктерге негізделген. Егер металда зарядталған жылжымалы бөлшектер бар болса, онда металл өткізгішті кенет тоқтатқан кезде олар біраз уақыт инерция бойынша қозғалады. Соның нәтижесінде өткізгіште электр тогы пайда болады. Осы токтың бағыты арқылы ток тасушысының таңбасын анықтауға болады, ал өткізгіштің кедергісі мен өлшемдерін біле тұра және тізбек арқылы өткен

зарядты өлшеп, тасушылардың

e меншікті зарядын есептеуге болады.

m

Тәжірибелерде металдардағы ток тасушыларының теріс зарядқа ие екенін, ал

олардың меншікті зарядының мәні электронның анықталды.

e -не өте жақын екені

m

Еркін электрондар туралы түсініктерге сүйене отырып, неміс физигі П.

Друде металдардың классикалық электрондық теориясын құрды, кейін оны голланд физигі Х. Лоренц жетілдірді. Бұл теория өткізгіштік электрондарының тәртібі идеал газ молекулаларының тәртібіне ұқсас деген болжамға негізделген. Өздерінің қозғалысы кезінде өткізгіштік электрондары кристалл торының түйіндерінде орналасқан иондармен соқтығысады, нәтижесінде электрондық газ бен тордың арасында термодинамикалық тепе-теңдік орнықталады.

Классикалық электрондық теорияның көмегімен металдардағы электр кедергісінің пайда болуын, Ом және Джоуль-Ленц заңдарын жақсы түсіндіруге болады.

Ом заңының дифференциалды түрі:

j = E =

1

 E,

мұндағы  - заттың меншікті өткізгіштігі деп аталатын оның меншікті кедергісі  -ға кері шама.

Джоуль-Ленц заңының дифференциалды түрі:

Qмен

= E 2,

 

мұндағы

Qмен

- өткізгіштің көлем бірлігіндегі бірлік уақыт ішінде бөлінетін

жылу мөлшері деп анықталатын меншікті жылу қуаты.

Друде теориясына сәйкес, электр өрісінің

F = eE

күші әсерінен электрон

өзінің еркін жүру уақыты бойы бірқалыпты үдемелі қозғалыста болады. Еркін жүрудің соңында электронның иеленетін максималды жылдамдығы

 

v max = 

мұндағы  - тор иондары мен электронның кезек соқтығысуының арасындағы орташа уақыт.

Электрондардың бағытталған қозғалысының (дрейфтің) орташа жылдамдығы

v = v max = .

2 2 m

Сонда металл өткізгіштегі ток тығыздығы өріс кернеулігіне пропорционал болады (Ом заңының дифференциалды түрі):

 

j = ne v = E.

2 m

j мен E арасындағы пропорционалдық коэффициент заттың меншікті өткізгіштігінің өзі болып табылады

 

 =.

2 m

Еркін жүрудің соңында электронның иемденетін энергиясы

mv 2

W = max =

к 2

E 2.

2 m

Бұл энергия ионмен соқтығысу кезінде толығымен торға беріледі де, металдың ішкі энергиясының ұлғаюына, яғни оның кызуына әкеледі. Әр электрон бірлік

уақыт ішінде

1 соқтығысуға шалдығады. Сондықтан, торға бірлік уақыт

 

ішінде өткізгіштің көлем бірлігінде берілетін энергия

 

 

 

меншікті жылу қуатына тең.

Qмен = E

2 m

Qмен

және E арасындағы пропорционалдық коэффициент  заттың

меншікті өткізгіштігі болып табылады. Демек, соңғы өрнек Джоуль-Ленц заңының дифференциалды түрін анықтайды.

Металдар өткізгіштігінің классикалық электрондық теориясының сөзсіз жетістіктеріне қарамастан, оның бір қатар елеулі кемшіліктері де бар, олар теорияның кейбір қорытындыларының тәжірибелерде алынған нәтижелермен келіспеушілігінде айқындалады.

Металдардың электр өткізгіштігінің классикалық электрондық теориясының жарамсыздығының ең айрықша үлгісі ретінде асқын өткізгіштік құбылысы мен металдардың жылу сыйымдылығының теориясын келтіруге болады.

Классикалық электрондық теорияға сәйкес электр кедергісі өткізгіштік электрондарының кристалл торының иондарымен соқтығысуының нәтижесінде пайда болады. Бұл тұрғыдан алғанда кейбір металдардың және қосылыстардың асқын өткізгіштік күйдегі электр кедергісінің мүлдем болмауын түсіндіру мүмкін емес.

Металдың жылу сыйымдылығы оның кристалл торының жылу сыйымдылығы мен электронды газдың жылу сыйымдылығынан тұрады.

Классикалық электрондық теорияға сәйкес бір атомды электронды газдың

мольдік жылу сыйымдылығы

3 R -ға тең. Бұл жағдайда

2

Cмет

= Cтор + Сэл = 3 R +

R = 4,5 R.

2

Бірақ, барлық химиялық қарапайым қатты денелердің, оның ішінде

металдардың да, мольдік жылу сыйымдылығы бірдей және 3 R -ға тең екені

тәжірибеден белгілі. Яғни, металдар өткізгіштігінің электрондық теориясының қорытындыларына қайшы, электронды газдың жылу сыйымдылығы болмайды.

Теорияның тәжірибеге келетін осы және де кейбір басқа қайшылықтары бүгінгі күні өткізгіштіктің кванттық теориясы көмегімен сәтті шешілген.

Еркін электрондар қалыпты жағдайдағы температурада металды тастап кете алмайды. Бұған екі фактор кедергі болады:

1. Егер, электрон қандай да бір себептен металды тастап шықса, онда оның ішінде артық оң заряд пайда болады, ол өз кезегінде электронды қайтадан металдың ішіне қарай тартып алады.

2. Жеке электрондар металды тастап шыққанда, одан шамамен атомдық өлшемдегі қашықтықтарға алыстайды да, металдың бетінде «электрондық бұлтты» тудырады. Осы бұлт тордың оң иондарының сыртқы қабатымен бірігіп еркін электрондардың металдан шығуына кедергі жасайтын қос электр қабатын түзейді.

Электронды металдан вакуумға шығару үшін қажетті жұмысты электронның металдан шығу жұмысы деп атайды:

A = e D ,

 

мұндағы D  - қос электр қабатындағы потенциалдың беттік секіруі. Шығу

жұмысын электронвольтпен өлшейді (эВ): 1эВ=1,6∙10-19 Кл ∙ 1В=1,6∙10-19Дж.

Әртүрлі металдардың шығу жұмысы әртүрлі болады (цезий үшін A =1,81 эВ, платина үшін A =6,27 эВ).

Қалыпты жағдайда газ бейтарап молекулалардан (немесе атомдардан) құралады, сондықтан ол изолятор болып табылады. Газдың молекулаларының кейбір бөлігі иондалғанда, яғни олар ион мен еркін электрондарға ыдыраған жағдайда, ғана газ арқылы электр тогы өте алады. Бұл үшін газ қандай да бір иондағыштың әсеріне шалдығу қажет. Газды әртүрлі иондағыштардың әсері арқылы иондауға болады: өте күшті қыздыру, қысқа толқынды электромагниттік сәуле шығару (ультракүлгін, рентген және гамма-сәулелері), электрондар, протондар,  - бөлшектер ағыны. Молекуладан (атомнан) бір электронды қағып шығару үшін иондау энергиясы деп аталатын белгілі бір энергияны жұмсау қажет. Иондау энергиясының мәндері әртүрлі газдар үшін 4÷25 эВ аралығында орналасады. Иондалған газда оң иондар және электрондармен қатар сондай-ақ, электрондардың бейтарап молекулаларға қосылуының нәтижесінде пайда болатын теріс иондар да болады. Газдың иондалу процесімен әрдайым бірге оған кері процесс – рекомбинация да жүреді.