Mavzu: Erkin elektronlarning metallarda mavjudligining tajribada tasdiqlanishi. Elektronlarning tartibli harakat tezligi

Metallarda elektr toki
Metallar kristall panjara asosida tuzilgan bo`lib, panjara tugunlarida shu metall atomlarining musbat ionlari va o`rtada xaotik harakatlanuvchi erkin elektronlardan iborat. Bir valentli metallarda panjara tugunida joylashgan musbat ionlar soni o`rtada xaotik harakatlanuvchi elektronlar soniga teng va ularning zaryadlari qarama-qarshi bo`lganligi uchun elektr jihatidan neytraldir.


Tajribalarning ko`rsatishcha, metallardan elektr toki o`tgandagi erkin elektronlar tartibli harakatga keladi-yu, panjara tugunida turgan zarralar harakatga kelmaydi. Buni 1901 yilda nemis fizigi K.Rikke quyidagi tajriba yordamida isbotlab berdi.U oldindan tarozida tortilgan uchta silindr (ikkitasi mis va bittasi alyuminiy) olib ularning silliqlangan ko`ndalang yuzalarini bir-biriga qo`yib, ustma-ust taxladi. Bunda alyuminiy silindr, mis silindrlar orasida qoladi (1.1-rasm). So`ngra silindrlar o`zgarmas tok zanjiriga ulanadi: ulardan bir yil davomida katta tok o`tib turadi. Shu davr ichida silindrlardan taxminan 3,5 mln. kulonga teng elektr zaryad o`tdi. Silindrlarni tarozida ikkinchi marta 0,03 mg aniqlikda tortish shuni ko`rsatdiki, silindrlarning massasi tajriba natijasida o`zgarmabdi. Tegib turgan yuzalari mikroskop bilan kuzatilganda bir metallning ikkinchisiga kirishishi ham kuzatilmagan.

Shunday qilib, tajriba natijalari metallarda zaryad ko`chishiga ionlar qatnashmaganligiga guvohlik berdi. 1-rasm

Metallarda elektr toki erkin elektronlarning tartibli harakatidan iborat ekanligini 1916- yili Styuart va Tolmen tomonidan o`tkazilgan tajribada tasdiqlangan. Bu tajribaning g`oyasi 1913-yili N.D. Papaleksi va L.I. Mandelshtam tomonidan aytilgan edi. Bu g`oyaning mazmuni quyidagicha: Faraz qilaylik, zaryadlanmagan metall bo`lagi juda katta tezlik bilan harakatlanayotgan bo`lsin (2-rasm).

Kristall panjara metalldagi erkin zaryadlarni ilashtirib olib ketadi. Metall bo`lagining harakati keskin to`xtatilganda ham erkin zaryadlar o`z harakatini inersiyasi tufayli ma`lum vaqt davom ettiradi. Zaryadlarning bu harakati zanjirda tok hosil qiladi, uni zanjirga ulangan juda sezgir asbob-galvanometr sterelkasining og`ishidan payqash mumkin.

2-rasm

Bu tokning yo`nalishi erkin zaryadlarning yo`nalishi haqida, tokning miqdori (kuch) esa erkin zaryadlarning birlik massaga mos keluvchi zaryad miqdori (solishtirma zaryad) haqida ma`lumot beradi. Bu hodisani kuzatish uchun quyidagi tajriba o`tkazilgan.

Juda ko`p o`ramli ingichka sim o`ralgan g`altak o`z o`qi atrofida tez aylantirilgan (1.3-rasm). Simning uchlari sezgir galvanometrga sirpanuvchi o`tkazgichlar bilan ulangan. G`altak keskin to`xtatilganda galvonometr strelkasi sekundning ulushlaricha vaqt davomida og`ib, tok borligini va bu tokning yo`nalishi uning manfiy zaryadli zarralar harakatidan vujudga kelishini ko`rsatgan.

Shunday qilib, tajribalarning ko`rsatishicha, metallarda erkin elektronlar mavjud bo`lib, ularda elektr toki ana shu erkin elektronlarning tartibli harakatidan yuzaga keladi.

M
etallardan elektr toki o`tganda ulardagi erkin elektronlar tartibli harakat tezligini baholash mumkin. Elektronlar tezligining bu qiymati ularning tashqi elektr maydoni ta`sirida olgan tezlanish a ning ikki ketma-ket to`qnashishlar orasidagi o`rtacha harakat vaqti t ga ko`paytmasiga teng deb hisoblash mumkin.

(1)
3-rasm

elektronning tezlanishi (bunda e- elektronning zaryadi, E tashqi elektr maydon kuchlanganligi, m elektronning massasi) va , (U metall o`tkazgich uchlariga qo`yilgan kuchlanish, l metall sim uzunligi) ekanligini inobatga olsak

(2)

kelib chiqadi.

Demak, metallardan tok o`tganda elektronlarning tartibli harakat tezligi o`tkazgich uchlaridagi kuchlanishga va tokning o`tish vaqtiga to`g`ri proporsional bo`lib, o`tkazgich uzunligiga teskari proporsional ekan

O`tkazgichlarda tok kuchi

(3)

ga teng edi.

(3) dagi o`rniga (2)ni qo`ysak

(-4)

kelib chiqadi.

Bu formulani zanjirning bir qismi uchun Om qonuni formulasi bilan taqqoslasak

(5)

hosil bo`ladi.

O`tkazgichning qarshiligi (6)

bo`lganligi uchun uni (1.1-5) ifoda bilan taqqoslansa

(7)

ekanligi ko`rinadi.

Demak, o`tkazgichlarning solishtirma qarshiligi elektronning zaryadi e ga, massasi m ga, konsentratsiyasi n ga va elektronlarning to`qnashishlari orasidagi o`rtacha t vaqtga bog`liq. Elektronlar konsentratsiyasining ortishish bilan solishtirma qarshilik kamayadi. Metallar solishtirma qarshiligi  ning temperaturaga bog`liq ravishda o`zgarishi temperaturaning ko`tarilishi bilan elektronlarning ikkita ketma-ket to`qnashish vaqtining qisqarishi bilan tushuntiriladi.

Buni quyidagicha izohlash mumkin: Metallardagi erkin elektronlarni elektronlar gazidan iborat va ularning kinetik energiyasi elektronlar gazi temperaturasi T ga




a) b)

4-rasm

proporsional, deb hisoblash mumkin. U holda gazlar uchun o`rinli bo`lgan



ifodadan ko`rinadiki elektronlarning metall bo`ylab tarqalish tezligi uning temperaturasidan chiqarilgan kvadrat ildizga proporsional .

Elektronlarning harakat tezligi qancha katta bo`lsa, ularning to`qnashishlari shunchalik tez-tez bo`ladi, ya`ni (7) formulada kichiklashadi va natijada T ning ortishi bilan  ortadi.

Turli xil metallarda elektronlar konsentratsiyasi turlicha bo`lganligi uchun, agar ularning o`zaro kontakti hosil qilinsa konsentratsiyasi katta bo`lgan metalldan konsentrasiyasi kichik bo`lgan metallga elektronlar diffuziyasi ro`y beradi. Natijada metallarning biri musbat, ikkinchisi manfiy zaryadlanib qoladi va potensiallar farqi yuzaga keladi. Uning qiymati metallar turiga va kontakt hosil qilgan joydagi temperaturalar farqiga bog`liq. Agar hamma kontaktlarda temperatura bir xil bo`lsa turli xil metallardan tuzilgan berk konturdagi potensiallar farqi nolga teng. (1.4-rasm, a)

.

Kontaktdagi temperaturalar farq qilsa, () kontakt potensiallar farqi ma`lum elektr yurituvchi kuchni hosil qiladi. Bu EYuK ning qiymati (T₁-T₂) ga proporsional (4-rasm, b)

(-8)

-metallar turiga bog`liq bo`lgan proporsionallik koeffitsiyenti. Termoparalar deb ataluvchi qurilmalarda turli xil metallarning kavsharlanish nuqtalarida temperaturalar farqi hosil qilinib, ma`lum miqdorda potensiallar farqi yuzaga keltiriladi. Bunday asbob darajalansa, potensiallar farqini o`lchash orqali kavsharlanish nuqtalaridagi temperaturalar farqini aniqlash imkoni paydo bo`ladi.

Bayon qilinganlardan ko`rinadiki, metall o`tkazgichlarda elektr toki erkin elektronlarning tashqi maydon ta`sirida yuzaga kelgan tartibli harakatidan iborat.