Природа электрического тока в веществе.

Условно все вещества в природе делят на проводники и диэлектрики (изоляторы). Слово «диэлектрик» придумал М.Фарадей: «диа» - по-гречески «через», а «electric» - по-английски «электрический». Термин возник из-за того, что металлы (хорошие проводники электрического тока) хорошо экранируют электростатическое поле, а диэлектрики – это вещества, через которые электростатическое поле «проходит». Электрическое удельное сопротивление металлов лежит в пределах 10^-6 – 10^-4 Ом×см, в то время как у типичных диэлектриков удельное сопротивление ~ 10⁸ – 10¹⁷ Ом×см. Существует и промежуточный класс веществ – так называемые полупроводники.

Физическое различие между проводником и диэлектриком состоит в различии меры проявления свойств проводимости и свойств поляризуемости вещества.

Из элементарной молекулярно-кинетической теории следует, что плотность тока проводимости представляет собой плотность потока электрического заряда:

(1)

где - электрический заряд частицы – элементарного носителя заряда, - объёмная концентрация носителей заряда в веществе, - средняя скорость направленного движения носителей заряда. У различных проводников (и полупроводников, и, строго говоря, у диэлектриков) различны носители заряда, способные перемещаться по физическому объему, величины объемных концентраций и скорости направленного движения. Удобно, вспоминая дифференциальную форму закона Ома, использовать понятие «подвижность носителей заряда», как это делал Поль Ланжевен (1872-1946) в самом начале прошлого века:

(2)

где подвижность заряда - это величина скорости направленного движения носителей заряда сорта i при действии на них поля с напряжённостью 1В/м. Заметим, что по зависимости (2) величина для отрицательных зарядов. Иногда удобно пользоваться соотношением

, (3)

где комбинация для всех случаев. Использование формулы (3) позволяет не принимать во внимание (где это возможно) знак носителей заряда.

Подвижность электронов и ионов в газах связана с их коэффициентом диффузии соотношением Эйнштейна

. (4)

В слабом электрическом поле, когда распределение заряженных частиц по энергиям можно считать максвелловским, величина равна средней энергии их теплового движения

(5)

Подвижность электронов и ионов, как правило, исследуют отдельно, поскольку различны элементарные физические процессы, определяющие характер движения тех или иных заряженных частиц.

Металлы.

В металлах плотность тока проводимости создается электронами. Электрон как элементарная частица был открыт в 1897 г. Дж. Дж. Томсоном (1856-1940). Прямое определение заряда электрона было произведено в опытах Р. Милликена (1868-1953), он оказался по современной совокупности экспериментальных данных равным

. (1)

В опытах Рикке (Карл Виктор Эдуард) (1845 - 1915) и в опытах Толмена-Стюарта (идея Л.И.Мандельштама и Н.Д.Попалекси) получено убедительное доказательство того, что именно электроны своим движением обуславливают электрический ток. Полученное в этих опытах отношение e/m позволило оценить массу электрона, эта величина оказалась равной:

(2)

что примерно в 2000 раз меньше массы атома водорода. Для металла характерно, что величина объемной концентрации носителей заряда n практически не зависит от температуры, а величина подвижности уменьшается с ростом температуры, иначе: удельное сопротивление для металлов растет с повышением температуры. Для металлов также характерно то, что для существования электрона в куске металла как «свободного» заряда (электрона проводимости) не требуется энергия активации.

Более детальное обсуждение молекулярно-кинетических представлений о закономерностях протекания тока в металлах проведено в последующих частях настоящего раздела.