Классическая теория электропроводности.

Электропроводность металлов обеспечивается большим количеством свободных носителей заряда – электронов проводимости – коллективизированных электронов.

В классической теории Друде-Лоренца электроны проводимости рассматриваются как электронный газ, обладающий свойствами идеального газа.

Концентрация электронов проводимости пропорциональна концентрации атомов (10²⁸ ÷ 10²⁹ м³), где N_A – постоянная Авогадро, А – атомная масса металла, ρ – его плотность.

Средняя кинетическая энергия теплового (хаотического) движения электронов , v_кв ~ 10⁵ м/с.

Электрическое поле вызывает упорядоченное движение (дрейф) электронов. Плотность тока определяется , где – средняя скорость дрейфа электронов (< 10^-4 м/с)

Электрический ток в цепи устанавливается за время , где L – длина цепи, с – скорость света. В соответствии с классической теорией получается и , где m – масса электрона; u – средняя скорость теплового движения электронов.

Диамагнетики. Лармова прецессия.

Диамагнетики (например Ag, Au и большинство органических соединений) – вещества, молекулы которых не обладают магнитным моментом. Во внешнем магнитном поле в диамагнетиках индуцируются элементарные круговые токи (магнитные моменты), которые создают собственное или внутреннее магнитное поле. Собственное индуцированное магнитное поле при этом ослабляет внешнее ( < 1,0).

Ларморовская прецессия — это прецессия магнитного момента электронов, атомного ядра и атомов в направлении внешнего магнитного поля.

,где — момент силы, — момент импульса, — внешнее магнитное поле и — гиромагнитное отношение, являющееся коэффициентом пропорциональности между магнитным моментом и моментом импульса.

Если мы рассматриваем случай статического магнитного поля, мы увидим, что вектор момента импульса прецессирует вокруг оси z с угловой частотой, называемой Ларморовской частотой, производящей гироскопическое движение, похожее на вращение юлы.

Основы зонной теории проводимости.

Электрон в атоме может принимать только дискретный ряд значений энергии.

Энергия, которую может принять электрон, называется разрешенным значением энергии, а которую не может принимать – запрещенным значением энергии.

Значения энергии группируются в зоны и находятся достаточно близко. Принято рисовать уровни энергии (только для иллюстрации). Совокупность разрешенных уровней образуют разрешенную зону.

Не все электроны участвуют в образовании электрического поля.

Валентные электроны легче всего отрываются от атома под действием сторонних сил, так как меньше всего связаны с ядром.

Именно валентные электроны участвуют в образовании электрического тока.

Источник отдает валентному электрону энергию, разрешенную валентному уровню.

Принцип Паули: одно и то же значение энергии может иметь в одинаковом состоянии только один электрон, обладающий свойством, которое называется спином. На одном уровне находятся два электрона, но с противоположными спинами.

Электрический ток – упорядоченный прием и отдача энергий электронов. В электрически нейтральном теле все уровни валентной зоны заняты. Дырка – это отсутствие электрона, которое принимает свойства положительного заряда. Имеет место упорядоченное движение зарядов. Все вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Металлы: Запрещенная зона отсутствует, она представляет собой лишь расстояние между уровнями.

Диэлектрики: Запрещенная зона велика, так что на практике не выгодно создавать такие источники, чтобы заставить электрический диэлектрик принимать и отдавать энергию.

Величину запрещенной зоны измеряют в электрон-вольтах (еВ):

если <<2еВ, – металл.

если  ~ 2еВ, – полупроводник.

если >>2еВ, – диэлектрик.