Вільні електрони

Метали в твердому стані мають кристалічну структуру: розташування атомів в просторі характеризується періодичною повторюваністю і утворює геометрично правильний малюнок, званий кристалічною решіткою.

Атоми металів мають невелике число валентних електронів, розташованих на зовнішній електронній оболонці. Ці валентні електрони слабо пов’язані з ядром, і атом легко може їх втратити.

Коли атоми металу займають місця в кристалічній решітці, валентні електрони залишають свої оболонки – вони стають вільними і відправляються “гуляти” по всьому крісталлу18. У вузлах кристалічної решітки металу залишаються позитивні іони, простір між якими заповнено “газом” вільних електронів (рис. 3.47). Вільні електрони і справді поводяться подібно часткам газа19 – здійснюючи тепловий рух, вони хаотично снують туди-сюди між іонами кристалічної решітки. Сумарний заряд вільних електронів дорівнює по модулю і протилежний за знаком загальному заряду позитивних іонів, тому металевий провідник в цілому виявляється електрично нейтральним.

Газ вільних електронів є “клеєм”, на якому тримається вся кристалічна структура провідника. Адже позитивні іони відштовхуються один від одного, так що кристалічна решітка, розпирає зсередини потужними кулоновскими силами, могла б розлетітися в різні боки. Однак у той же самий час іони металу притягуються до обволікаючій їх електронного газу і, як ні в чому не бувало, залишаються на своїх місцях, здійснюючи лише теплові коливання у вузлах кристалічної решітки поблизу положень рівноваги.

Що станеться, якщо металевий провідник включити в замкнуту ланцюг, що містить джерело струму? Вільні електрони продовжують здійснювати хаотичний тепловий рух, але тепер – під дією виниклого зовнішнього електричного поля – вони додатково почнуть переміщатися впорядковано. Це спрямоване протягом електронного газу, накладають на тепловий рух електронів, і є електричний струм в металле20. Швидкість упорядкованого руху електронів у металевому провіднику, як нам уже відомо, становить порядку 0,1 мм / с.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (2 votes, average: 5.00 out of 5)

Вільні електрони