Электрический ток в металлах

Металлы в твердом состоянии, как известно, имеют кристаллическое строение. Частицы в кристаллах расположены в строго определенном порядке, образуя пространственную (кристаллическую) решетку. От формы кристаллической решетки зависит вид и форма кристалла. На рисунке 238 изображена кристаллическая решетка в форме куба. В узлах кристаллической решетки металла расположены атомы, обладающие положительным зарядом, — ионы. На рисунке такие атомы изображены выщербленными кружками. В пространстве же между атомами движутся свободные, т. е. не связанные с ядрами своих атомов, электроны (на рисунке 238 электроны изображены маленькими кружочками).

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решетки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален. Свободные электроны в нем движутся беспорядочно. Беспорядочное движение электронов не создает тока в металле. Но если в металле создать электрическое поле, то все свободные электроны начнут двигаться в направлении действия электрических сил, возникнет электрический ток. Беспорядочное движение электронов при этом, конечно, сохраняется, подобно тому, как сохраняется беспорядочное движение в стайке мошкары, когда под действием ветра вся стайка перемещается в одном направлении.

Итак, электрический тон в металлах представляет собой упорядоченное движение электронов.

Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля невелика — несколько миллиметров в секунду, а иногда и еще меньше. Но как только в проводнике возникает электрическое поле, оно с огромной скоростью, близкой к скорости света в вакууме (300 000 км/с) распространяется по всей длине проводника.

Одновременно с распространением электрического поля начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника электроны. Так, например, при замыкании цепи электрической лампы в упорядоченное движение приходят и электроны, имеющиеся в спирали лампы.

Понять это поможет сравнение электрического тока с течением воды в водопроводе, а распространения электрического поля — с распространением давления воды. При подъеме воды в водонапорную башню очень быстро по всей водопроводной системе распространяется давление (напор) воды. Когда мы открываем кран, то вода в нем уже находится под давлением и сразу начинает течь. Но из крана течет та вода, которая уже была в нем, а вода из башни дойдет до крана много позднее, так как движение воды происходит с меньшей скоростью, чем распространение давления.

Когда говорят о скорости распространения электрического тока в  проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.

Электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s = 8000 км), приходит туда примерно через 0,03 с.

Вопросы. 1. Как объяснить, что в обычных условиях металл электрически нейтрален? 2. Почему беспорядочное движение электронов в металле не вызывает переноса электрического заряда? 3. Что представляет собой электрический ток в металле? 4. Что нужно создать в металле, чтобы вызвать в нем упорядоченное движение электронов? 5. Какую скорость имеют в виду, когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике?