Электрический ток в металлах
англ. Electric current in metals
Направленный дрейф свободных электронов металла под действием поля: сам дрейф медленный, но стартует по всей цепи почти мгновенно.
Поток воды в трубе — рабочий образ для электрического тока в металлах: это направленное движение свободных электронов, которое задаёт источник. В узлах кристаллической решётки сидят положительные ионы, а валентные электроны коллективно «сбегают» со своих орбит и образуют электронный газ — поэтому металл проводит ток даже в твёрдом виде, без расплава и раствора. Подключили батарейку — внутри провода возникло поле, и электроны наложили на своё хаотичное метание (сотни километров в секунду) крошечный упорядоченный дрейф в одну сторону. Связь силы тока со скоростью этого дрейфа выводится простым подсчётом зарядов, пересекающих сечение проводника за секунду; весь расчётный аппарат собран в уроке постоянный ток, а базовые зависимости силы тока от напряжения — в термине закон Ома.
Скорость дрейфа обманчиво мала: для медного провода сечением 1 мм² при токе 1 А она выходит меньше десятой доли миллиметра в секунду. Почему же лампа вспыхивает мгновенно? Потому что поле распространяется по проводу со скоростью, близкой к световой, и дрейф стартует у всех электронов цепи практически одновременно — как колонна, которую тронули по всей длине сразу. Тепловое движение электронов току не помогает: оно лишь мешает, порождая сопротивление, а нагрев проводника при этом описывает закон Джоуля—Ленца. Поле внутри проводника, которое гонит электроны, разбирается в термине напряжённость электрического поля; задачи на схемы с источниками и резисторами — в уроке цепи постоянного тока.
Частые вопросы
Почему электроны движутся против тока, а не наоборот?
Направление тока исторически выбрано по движению положительных зарядов: соглашение сложилось до открытия электрона, и менять его задним числом оказалось бы дороже, чем полезно. В металлах свободные носители отрицательны, поэтому их дрейф направлен против стрелки тока. На расчёты это не влияет: законы Ома и Джоуля—Ленца записываются одинаково, а в электролитах и газах носители обоих знаков движутся в противоположные стороны и складываются в общий ток.
Что происходит с сопротивлением металла при нагреве?
Оно растёт: ионы решётки колеблются сильнее, чаще рассеивают электроны, и средняя длина свободного пробега падает. Для чистых металлов в широком диапазоне рост почти линейный: R = R₀(1 + αt), у меди α ≈ 0,004 1/К — нагрев на 100 К увеличивает сопротивление примерно на 40 %. Отсюда практические следствия: у перегретой обмотки падает ток, а термометры сопротивления строят ровно на этой зависимости.