§ 57. Природа тока в металлах

Выясним, что является носителем заряда в металлах. Металлы имеют кристаллическую структуру. Атомы их при объединении в кристалл утратили все свои валентные электроны и превратились в положительно заряженные ионы. Освободившиеся электроны движутся беспорядочно (при комнатной температуре со скоростями порядка 1 ^км/_сек) между ионами в кристалле (см. рис. 22, г). У различных металлов число свободных электронов в единице объема различно, например, в 1 см³ меди содержится 10²³ электронов. Отрицательный заряд свободных электронов численно равен положительному заряду ионов кристалла. Поэтому металл электрически нейтрален. Если заставить свободные электроны перемещаться направленным потоком, то получим электрический ток. В этом нас убеждают такие опыты.

Рис. 76. Схема опыта по установлению природы тока в металле

На катушку (рис. 76) было намотано большое число витков проволоки (длиной около 500 м), концы которой присоединялись к чувствительному гальванометру Г (опыты английских физиков Толмена и Стюарта, 1916 г.). При помощи электродвигателя катушка приводилась в быстрое вращение. В движение по окружности приводились вместе с проволокой и свободные электроны, находящиеся в ней. Гальванометр ток не показывал. Затем катушка резким торможением останавливалась; в этот момент гальванометр обнаруживал возникновение в ней кратковременного тока. Образование тока в катушке в момент ее торможения произошло оттого, что при мгновенной остановке катушки свободные электроны, сохраняя по инерции направление скорости движения проволоки, продолжали двигаться в этом направлении, образуя тем самым электрический ток. Через три цилиндра, поставленных друг на друга (медный, алюминиевый и опять медный), пропускался около года ток в одном направлении (опыт немецкого физика Э. Рикке, 1901 г.). За время опыта через цилиндры прошло огромное количество электричества (порядка 3,5*10⁶ к). Атомные массы меди (μ = 63,54) и алюминия (μ = 26,98) различны, поэтому при переносе зарядов ионами массы цилиндров должны были бы измениться на 1 кг.

Взвешивание цилиндров показало, что их масса осталась неизменной, в них также не произошло никаких химических изменений.

Следовательно, ток в металлах обусловлен движением частиц, не имеющих отношения к химической структуре металла. Этими частицами могут быть не ионы, которые у разных веществ различны, а лишь электроны. Электрический ток в металлах есть направленное движение свободных электронов под действием стационарного электрического поля, которое образует источник тока в электрической цепи.