Металлическая связь и физическая сущность электро- и теплопроводности металлов

В металлах атомы соединены друг с другом электронными оболочками, образуя в пределах одного домена сплошную систему типа большой молекулы, такие связи называются металлическими и по типу наиболее близки к ковалентному типу связей [6]. Это приводит к тому, что при соединении атомов длина эфирного потока у молекулы, состоящей всего из двух атомов, оказывается меньше, чем сумма длин путей эфирных потоков у атомов до соединения. Поэтому при соединении атомов в молекулу часть уплотненного завинтованного эфира выбрасывается из образовавшейся молекулы. В отличие от обычной ковалентной связи, при образовании которой выброшенная часть эфирного потока замыкается сама на себя, в металлах этот поток стимулирует организацию электрона за счет потоков эфира, оказавшихся между атомами (рис. 2.9).

Образованный свободный электрон начинает хаотически перемещаться в межмолекулярном пространстве в пределах оболочки Ван-дер-Ваальса, соударяясь с электронными оболочками молекул и обмениваясь с ними энергией. При этом часть электронов выходит на поверхность металла и, устанавливаясь в шахматном порядке антипараллельно относительно друг друга, образует так называемую «поверхность Ферми» (рис. 2.10).

Поскольку электрон находится в непрерывном тепловом движении внутри металла, он соударяется с молекулами. отбрасывается по законам прямого соударения и после каждого удара меняет свою ориентацию в пространстве. Поэтому все электроны в металле в среднем ориентированы хаотично, что и объясняет тот факт, почему вокруг металлических образцов, не подключенных к источникам напряжения, нет магнитного поля.

Именно наличие и подвижность электронного газа обеспечивает высокую теплопроводность металлических проводников. Тепловая скорость перемещения электронов в металле определится выражением

где m_e = 0, 9108·10^–30кг – масса электрона, откуда находим, что при температуре 20°С (293, 3°К) средняя скорость теплового движения электрона составит 115, 45 км/с. Имея в виду, что количество электронов в металле должно быть равно количеству атомов, то их число в единице объема, как и атомов, составляет порядка n =10²⁸-10²⁹ м^–3. Если бы электронный газ существовал сам по себе, то средняя длина свободного пробега электрона была бы равна

где σ _е – площадь поперечного сечения электрона, величина которой составляет около
10^–30м². Следовательно, длина свободного пробега должна была бы иметь величину порядка единиц метров, в то время как расстояние между центрами молекул составляет величину порядка 10^–10 м. Это означает, что электроны в металле никак не взаимодействуют между собой, а каждый непрерывно соударяется с поверхностями молекул, около которых он находится, и перемещается между молекулами. В соответствии с той же электронной теорией уже в современном ее изложении коэффициент теплопроводности металлов и сплавов можно оценить, используя закон Видемана–Франца

где L_o = 2, 445·10^–8 Вт.Ом/К² – число Лоренца; σ (Ом·м^–1) – электропроводность; Т – абсолютная температура.

Это соотношение, утверждающее пропорциональность теплопроводности и проводимости металлов и их сплавов, подтверждено широкой практикой и вошло в справочники как основа, хотя и не всегда точная, поскольку существуют еще и другие факторы, влияющие на указанное соотношение. Тем не менее, можно считать, что электронная теория металлов подтверждена. В соответствии с этой теорией электропроводность равна

или для удельного сопротивления

где n – концентрация электронов в единице объема; e – заряд электрона; τ – время свободного пробега, m_е – масса электрона. С ростом температуры частота соударений электрона с поверхностями молекул увеличивается и время свободного пробега соответственно уменьшается. Отсюда и снижение проводимости, и соответствующий рост удельного сопротивления металлов.

К оглавлению