Электрический ток в металлах образуется за счет движения свободных электронов. Чтобы понять, как это происходит, нужно немного разобраться в строении металлов и их проводимости.
Строение металла
Металлы имеют характерную структуру, состоящую из положительно заряженных ионов металла, которые расположены в регулярной решетке, и свободных электронов, которые могут свободно перемещаться по этой решетке.
Ионы металла: Каждый атом металла отдаёт один или несколько своих внешних электронов, образуя положительные ионы. Эти ионы в металле образуют структуру, называемую металлической решеткой. Эти ионы фиксированы в решетке, не могут двигаться, так как они находятся в устойчивом положении относительно соседних ионов.
Свободные электроны: Свободные электроны, или «электронное облако», — это электроны, которые были освобождены от атомов и могут свободно перемещаться по решетке. Это именно те электроны, которые и являются основными носителями заряда в металлах. В отличие от ионов, они могут двигаться в ответ на внешние воздействия, такие как электрическое поле.
Как возникает электрический ток?
Когда на металл воздействует внешнее электрическое поле (например, при подключении его к источнику напряжения), свободные электроны начинают двигаться в направлении противоположном направлению электрического поля. Это и создаёт электрический ток.
Электрическое поле отталкивает электроны, так как они имеют отрицательный заряд. В результате электроны начинают двигаться к положительному полюсу источника питания. Электрический ток (по определению) — это поток электрических зарядов, который в металле происходит за счет движения этих свободных электронов.
На пути движения этих электронов они сталкиваются с ионами решетки и с другими свободными электронами, что создаёт сопротивление. Чем больше этих столкновений, тем меньше скорость движения электронов, и тем выше электрическое сопротивление материала.
Механизм проводимости
Металлы являются хорошими проводниками электричества именно благодаря наличию свободных электронов, которые легко перемещаются по решетке. Этот процесс проводимости можно описать с помощью модели свободных электронов (или модели электронной жидкости), где электроны рассматриваются как свободные частицы, движущиеся с высокой скоростью и сталкивающиеся с ионами в решетке.
Другие факторы
Температура: При повышении температуры увеличивается энергия атомов решетки, и они начинают колебаться с большей амплитудой. Это приводит к большему количеству столкновений свободных электронов с ионами, что увеличивает сопротивление металла. Поэтому проводимость металлов уменьшается с увеличением температуры.
Примеси и дефекты решетки: В реальных металлах всегда присутствуют примеси и дефекты в решетке. Они также могут влиять на проводимость, увеличивая сопротивление, поскольку примеси могут препятствовать свободному движению электронов.
Заключение
Итак, электрический ток в металлах образуется за счет движения свободных электронов, которые перемещаются в ответ на внешнее электрическое поле. Эти электроны, освободившиеся от атомов, могут свободно двигаться по металлической решетке, создавая поток заряда — ток. Ионы решетки, в отличие от электронов, не участвуют в образовании электрического тока, так как они фиксированы в решетке и не могут перемещаться.
