Металлы проводят электрический ток потому, что часть их электронов не закреплена за отдельными атомами и может перемещаться по всему кристаллу. Когда внутри металла возникает электрическое поле, оно придаёт этим электронам небольшое направленное движение. Перенос электрического заряда и образует ток. В диэлектриках свободно перемещающихся носителей заряда почти нет, поэтому при обычных условиях они проводят гораздо хуже.
Как устроен металл изнутри
Твёрдый металл состоит из огромного числа атомов, расположенных в упорядоченной кристаллической решётке. Их положительно заряженные ядра вместе с внутренними электронами образуют сравнительно устойчивые ионные остовы. Они не путешествуют по проводу, а лишь колеблются около своих положений в решётке. Базовое устройство этого материала также разобрано в статье из чего состоит металл.
Внешние, или валентные, электроны атомов металла ведут себя иначе. При сближении множества атомов их электронные состояния объединяются. Некоторые электроны становятся делокализованными, то есть принадлежат уже не одному определённому атому, а всему кристаллу. Упрощённо металл поэтому часто представляют как решётку положительных остовов, окружённую общим «электронным морем».
Слово «свободные» здесь не означает, что электроны могут покинуть кусок металла без затраты энергии. Они остаются внутри материала, но способны перемещаться от одной его области к другой. Именно наличие большого числа таких подвижных носителей заряда делает металл проводником.
Что происходит после подключения источника напряжения
Пока к проводу не подключён источник напряжения, электроны уже находятся в постоянном движении. Из-за тепловой энергии и особенностей их квантовых состояний они движутся в разных направлениях. Однако это движение беспорядочно: через воображаемое поперечное сечение провода в обе стороны в среднем проходит одинаковый заряд, поэтому направленного тока нет. О направленном движении зарядов подробнее рассказывает материал что такое электрический ток.
Источник напряжения создаёт в проводнике электрическое поле. Оно действует на отрицательно заряженные электроны и немного изменяет их общее движение. К хаотическому движению добавляется медленный направленный дрейф против направления поля. Через каждое поперечное сечение провода начинает переноситься больше отрицательного заряда в одну сторону, чем в другую, и возникает электрический ток.
По историческому соглашению направлением тока считают направление, в котором двигался бы положительный заряд. Поэтому в металлическом проводе условное направление тока противоположно направлению дрейфа электронов. Это не противоречие, а принятая система обозначений.
Для устойчивого тока необходим замкнутый путь. Если соединить с источником только один конец металлического предмета, заряды быстро перераспределятся, но постоянного потока через весь предмет не получится. В замкнутой цепи источник поддерживает разность потенциалов и электрическое поле, поэтому направленное движение зарядов продолжается.
Почему лампа загорается сразу, хотя электроны движутся медленно
Распространённое заблуждение состоит в том, что электрон, вышедший из батарейки, почти мгновенно пробегает весь провод и попадает в лампу. Средняя скорость направленного дрейфа электронов в обычном проводе на самом деле может быть очень небольшой. При этом электрический сигнал распространяется по цепи несравнимо быстрее.
Провод уже заполнен подвижными электронами по всей длине. После замыкания выключателя по цепи распространяется изменение электромагнитного поля, и электроны начинают дрейфовать практически во всех её участках. Это можно приблизительно сравнить с трубой, уже до краёв заполненной водой: если создать давление у одного конца, вода почти сразу начнёт выходить с другого, хотя конкретная молекула не успеет пройти всю трубу.
Сравнение полезно, но не полностью описывает электричество. Энергия передаётся не просто как кинетическая энергия отдельных электронов, несущихся от источника к прибору. Важную роль играет электромагнитное поле, существующее вокруг проводников и элементов цепи.
Как это объясняет зонная теория
Модель электронного моря наглядная, но современная физика точнее описывает проводимость с помощью энергетических зон. У отдельного атома электроны могут занимать определённые уровни энергии. Когда огромное число атомов образует кристалл, близкие уровни расщепляются и превращаются в очень плотно расположенные разрешённые состояния, объединённые в зоны.
Чтобы электрическое поле изменило движение электрона, рядом должно существовать доступное состояние с немного другой энергией и импульсом. В металле самая верхняя занятая зона заполнена лишь частично либо пересекается с другой разрешённой зоной. Поэтому поблизости имеется множество свободных состояний, в которые электроны могут переходить под действием поля. Значительного энергетического барьера для этого не требуется.
В типичном диэлектрике ситуация иная. Заполненная валентная зона отделена от зоны проводимости широкой запрещённой зоной. Обычного напряжения и тепловой энергии недостаточно, чтобы перевести большое число электронов через этот промежуток. Поэтому связанные заряды могут немного сместиться и поляризовать материал, но свободного продолжительного движения почти не возникает.
У полупроводников запрещённая зона меньше. Их проводимость можно сильно менять температурой, светом и добавлением примесей. Так становится понятно, почему простое деление на «металлы проводят, неметаллы не проводят» имеет исключения: решающее значение имеет электронная структура вещества, а не только его название в таблице элементов.
Откуда у металлического провода сопротивление
Электроны в реальном металле не движутся беспрепятственно по идеально прямым траекториям. Их движение рассеивают тепловые колебания кристаллической решётки, примеси, дефекты, границы между кристаллическими зёрнами и другие неоднородности. Под действием поля электроны снова приобретают направленную составляющую скорости, а затем очередное взаимодействие меняет её. Так возникает электрическое сопротивление. При сильном нагреве некоторые металлы окисляются настолько быстро, что начинают гореть.
Часть энергии упорядоченного движения передаётся решётке и превращается в тепловую. Поэтому провод с током нагревается. При малом токе это может быть почти незаметно, а в нагревательном элементе эффект специально усиливают, выбирая материал, форму и размеры проводника с подходящим сопротивлением.
У большинства обычных металлов при нагревании сопротивление возрастает. Атомные остовы колеблются интенсивнее, и рассеяние электронов усиливается. При охлаждении сопротивление обычно уменьшается, но примеси и дефекты не исчезают, поэтому у реального образца оно не обязано обращаться в ноль. Особый случай представляют сверхпроводники: ниже критической температуры некоторые материалы переходят в состояние с нулевым электрическим сопротивлением. Это отдельное квантовое явление, а не просто предельно хорошая обычная металлическая проводимость.
Почему разные металлы проводят неодинаково
Проводимость зависит не только от количества подвижных электронов. Важны строение энергетических зон, скорость электронов, частота их рассеяния, температура и чистота материала. Поэтому два внешне похожих металлических образца могут иметь заметно разное удельное сопротивление.
Серебро при комнатной температуре проводит электричество лучше большинства привычных чистых металлов, однако для обычных кабелей чаще используют медь. Она обладает очень высокой проводимостью, удобна в обработке и обходится дешевле. Алюминий проводит хуже меди при одинаковом сечении, зато имеет меньшую плотность, поэтому выгоден там, где особенно важна масса. Золото ценят в некоторых электрических контактах не за рекордную проводимость, а за устойчивость поверхности к окислению и коррозии.
Сплав обычно проводит хуже, чем чистый металл, из которого он в основном состоит. Атомы разных размеров и другие нарушения порядка усиливают рассеяние электронов. По этой причине нержавеющая сталь обладает гораздо большим удельным сопротивлением, чем чистая медь, хотя оба материала в быту называют проводящими металлами.
На сопротивление готового провода влияют и его размеры. Чем длиннее путь, тем больше сопротивление. Чем больше площадь поперечного сечения, тем больше параллельных путей для переноса заряда и тем сопротивление меньше. Поэтому толстый и короткий провод из одного материала проводит ток легче, чем тонкий и длинный.
Только ли металлы способны проводить ток
Электрический ток может существовать везде, где есть подвижные носители заряда. В металлах ими служат главным образом электроны. В растворах солей ток переносят положительные и отрицательные ионы, в полупроводниках участвуют электроны и так называемые дырки, а в ионизированном газе движутся электроны и ионы. Графит тоже проводит ток, хотя углерод относится к неметаллам.
Следовательно, проводимость не является исключительной привилегией металлов. Их преимущество заключается в том, что высокая концентрация подвижных электронов появляется в твёрдом состоянии естественным образом и сохраняется в широком диапазоне обычных условий. Металлы при этом прочны, пластичны, допускают изготовление тонкой проволоки и надёжных контактов, поэтому особенно удобны для электрических цепей.
Коротко о главном
Металл проводит ток благодаря делокализованным электронам и такой структуре энергетических зон, при которой электроны могут легко менять своё состояние под действием электрического поля. Поле создаёт небольшой общий дрейф на фоне быстрого беспорядочного движения, а сопротивление появляется из-за рассеяния электронов на колебаниях и несовершенствах решётки. Поэтому все металлы являются проводниками, но проводят неодинаково и не обладают идеальной проводимостью при обычных условиях.
