67. ЭЛЕКТРОННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ МЕТАЛЛОВ
Носителями свободного заряда в металлах являются электроны. Эти электроны участвуют в хаотическом тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью порядка 
(см. § 56).
Экспериментальное доказательство существования свободных электронов в металлах. Экспериментальное доказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов, было дано в опытах Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (в 1913 г.), Стюартом и Толменом (в 1916 г.).
Схема этих опытов такова. На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга (рис. 165). К концам дисков при помощи скользящих контактов присоединяют гальванометр.
Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы будут некоторое время двигаться относительно проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникнет электрический ток. Ток будет длиться небольшое время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается.
Наблюдения показали, что в цепи после остановки катушки некоторое время существует ток. Направление его говорит о том, что он создается движением отрицательно заряженных частиц. Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т. е. 
Поэтому, измеряя
Рис. 165
заряд, проходящий через гальванометр за все время существования тока в цепи, удалось определить отношение 
Оно оказалось равным 
Эта величина совпадает с отношением заряда к массе для электрона, найденным ранее из других опытов.
Движение электронов в металле. Электроны под влиянием постоянной силы, действующей на них со стороны электрического поля, приобретают определенную скорость упорядоченного движения. Эта скорость не увеличивается в дальнейшем со временем, так как со стороны ионов 
сталлической решетки на электроны действует некоторая тормозящая сила. Эта сила подобна силе сопротивления, действующей на камень, когда он тонет в воде. В результате средняя скорость упорядоченного движения электронов пропорциональна напряженности электрического поля в проводнике 
, следовательно, разности потенциалов на концах проводника, так как 
где 
— длина проводника.
Мы знаем, что сила тока в проводнике пропорциональна скорости упорядоченного движения частиц (см. формулу 9.2). Поэтому можем сказать, что сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника 
В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.
Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно. Дело в том, что условия движения электронов в металле таковы, что классическая механика Ньютона неприменима для описания этого движения. Наиболее наглядно это видно из следующего примера. Если экспериментально определить среднюю кинетическую энергию теплового движения электронов в металле при комнатной температуре и найти соответствующую этой энергии температуру по формуле 
то получится температура порядка 
Такая температура существует внутри звезд. Движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики (законы классической механики Ньютона в этом случае неприменимы).
1. Перечислите вещества, являющиеся хорошими проводниками электрического тока. 2. Катушка в опыте, изображенном на рисунке 165, вращалась по часовой стрелке, а затем была резко заторможена. Определите направление электрического тока в катушке в момент торможения.
3. Как скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике зависит от напряжения на концах проводника?
