Lem Andrew. О токе валентных электронов

О токе валентных электронов.

Вступление.

Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты принадлежат русским физикам Леониду Мандельштаму и Николаю Папалекси (1913 г.). В 1916 году американский физик Ричард Толмен, и шотландский физик Блэкетт Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов [1].

Опыт Толмена Стюарта.

Представим себе проводник в виде автобуса, который резко тормозит. Всех пассажиров, державшихся за поручни или нет, при этом резко подаст вперед сила инерции, при этом стоящие наиболее близко к лобовому стеклу рискуют пробить его и быть выброшенными наружу. Точно так же ведут себя и электроны в кристалле металла при резком его торможении.
В качестве этого проводника использовалась катушка индуктивности, которая раскручивалась вокруг своей оси и резко останавливалась.

Длина проволоки составляла 500м, а линейная скорость вращения -- 500м/с. Катушка с помощью скользящих контактов была подключена к гальванометру, который регистрировал возникновение инерционной ЭДС. Фактически можно сказать, что в данном опыте роль сторонних сил, создающих ЭДС, играла сила инерции. [2]

Свободные электроны.

Так было доказано наличие свободных электронов в проводнике. Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, расположенных на внешней электронной оболочке. Эти валентные электроны слабо связаны с ядром, и атом легко может их потерять. Когда атомы металла занимают места в кристаллической решётке, валентные электроны покидают свои оболочки -- они становятся свободными и отправляются "гулять" по всему кристаллу (рис. 1).

В узлах кристаллической решётки металла остаются положительные ионы, пространство между которыми заполнено "газом" свободных электронов (рис. 1). Свободные электроны и впрямь ведут себя подобно частицам газа -- совершая тепловое движение, они хаотически снуют туда-сюда между ионами кристаллической решётки [3].

И вот, казалось бы. Наличие блуждающих свободных электронов известно. Им даже дали определение "Слой Ферми" или же "Уровень Ферми" [5]. И на этом можно было бы закончить, но нет.

Парадокс Гришаева А.А.

Опыт Толмена-Стюарта вскрыл проблему на которую указал такой автор как Гришаев А.А. Не то, что бы причина в мировом заговоре или иное, что. Просто "не заметили".

Цитирую: "Всё? Нет, не всё. Ещё можно было рассчитать и количество этих свободных электронов - но Толмен и Стюарт об этом умолчали. Может, неспроста? Ведь из их данных получается, что в меди - одном из лучших проводников - один свободный электрон приходится не на десять атомов, не на сотню их и даже не на тысячу, а на полтора-два миллиона! "Беда, беда, конец концепции газа свободных электронов!" [4]

Да факт Толмен и Стюарт действительно доказали, что свободные электроны существуют, но их угрожающе мало. "Уровень Ферми" существует, но он запредельно ничтожен.

И это нужно как-то объяснять. Сам Гришаев предложил концепцию "зарядового разбаланса". "А ещё есть ток без переноса вещества - и без джоулевых потерь. Это - упорядоченное движение зарядовых разбалансов."[4]

Физический смысл этой концепции стремиться к нулю. Яко бы атом "моргает" и по проводу "течет" некая новая сущность "зарядовый разбаланс". То ли "дырка", то ли "частица". Не разобрать. Поэтому предлагаю другое объяснение.

Ток валентных электронов.

Да в проводнике есть не только "ток свободных электронов", а и ток "валентных электронов". Атом, имеющий равные количества протонов и электронов, способен проимитировать ненулевой электрический заряд. Это состояние может быть передано соседнему атому, и т.д. За счет движения "валентных электронов".

Если мы, например, вспомним ионизацию процесс такой, то она вызвана потерей атомом газа валентного электрона. Так и в проводнике. Электрический ток -- это не только ток свободных электронов которых действительно мало, а и ток "валентных" электронов. Валентные электроны просто перемещаются из атома в атом оставаясь валентными, а не свободными. По сути идет аналог процесса "ионизации". И нагрев проводника происходит не только за счет трения электронов о решетку. Что сомнительно и часто вызывает критику. А из-за того, что ионизация всегда идет с выделением тепла. Таким образом электрический ток в проводниках -- это преимущественно обмен валентными электронами между атомами. И лишь частично это ток в виде свободных электронов.

Что и показали Толмен и Стюарт в своем опыте. Так под действием центробежной силы в движение приходят лишь свободные электроны, которых в нормальном состоянии в проводнике очень мало. И лишь при приложении внешнего электрического поля в проводнике начинает течь "ток валентных электронов". Валентные электроны "перемещаются" или "перескакивают" из атома в атом не становясь свободными. И как только внешнее напряжение исчезает в проводнике остаются считанные единицы "свободных электронов". Можно предположить, что чем больше сила тока приложенная к проводнику тем больше валентных электронов с более "глубинных" слоев атома вовлекаются в это движение естественно на своих "глубинных" уровнях.

Литература.

1.Опыт Толмена и Стюарта.

https://multiring.ru/eor/html/575/content/47978/47978.htm#:~:text=%D0%9E%D0%BF%D1%8B%D1%82%20%D0%A1%D1%82%D1%8E%D0%B0%D1%80%D1%82%D0%B0%E2%80%94%D0%A2%D0%BE%D0%BB%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B0&text=%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9%20%D1%82%D0%BE%D0%BA%20%D0%B2%20%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B0%D1%85%20%E2%80%94%20%D1%8D%D1%82%D0%BE,%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D1%83%20%D0%BD%D0%B5%20%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B8%D1%81%D1%85%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D1%82%20%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%B0%20%D0%B2%D0%B5%D1%89%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B0.

2. Опыт Толмена-Стюарта по наблюдению инерционного тока в металлах.
Определение знака заряда носителей тока в них и соотношения e/m.

http://novmysl.ru/Electrodynamics/TolmanStuart.html

3. Электрический ток в металлах. И.В. Яковлев

https://mathus.ru/phys/metal.pdf

4. Гришаева А.А. "ЖМУРКИ С ЭЛЕКТРИЧЕСТВОМ

http://newfiz.info/elvo-opus.htm"

5. Уровень Ферми в металлах и функция распределения Ферми-Дирака

http://rateli.ru/books/item/f00/s00/z0000011/st018.shtml

Комментарии: 2, последний от 11/07/2020. © Copyright Lem Andrew (biomarket@ukr.net) Размещен: 03/07/2020, изменен: 03/07/2020. 10k. Статистика. Статья: Естествознание Естествознание Иллюстрации/приложения: 2 шт. Скачать FB2		Ваша оценка:

Lem Andrew : другие произведения.

О токе валентных электронов