Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Часть II электричество и магнетизм Москва 2007г

2.12. Вывод законов Ома, Джоуля-Ленца и Видемана-Франца на основе теории Друде-Лоренца.


Закон Ома.
Ускорение, приобретаемое электроном в электрическом поле (рис.6.3).

Рис.6.3. К выводу закона Ома.

На пути свободного пробега λ максимальная скорость электрона достигнет величины

,
где τ - время свободного пробега: .
Среднее значение скорости упорядоченного движения есть:
.
Подставив это значение в формулу для плотности тока, будем иметь:
,
Полученная формула представляет собой закон Ома в дифференциальной форме:


,

где σ – удельная электропроводность металла:

.


Закон Джоуля - Ленца
Кинетическая энергия электрона, которую он имеет к моменту соударения с ионом:
.
При столкновении с ионом энергия, полученная электроном в электрическом поле , полностью передается иону. Число соударений одного электрона в единицу времени равно , где λ – длина свободного пробега электрона. Общее число столкновений за единицу времени в единице объема равно . Тогда количество тепла, выделяющегося в единице объема проводника за единицу времени будет:
.
Последнюю формулу можно представить в виде закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме:
,
где ρ =1/σ – удельное сопротивление металла.


Закон Видемана-Франца.
Из опыта известно, что металлы, наряду с высокой электропроводностью, обладают также высокой теплопроводностью. Видеман (Wiedemann G., 1826-1899) и Франц (Franz R.,) установили в 1853г. эмпирический закон, согласно которому отношение коэффициента теплопроводности κ к коэффициенту электропроводности σ для всех металлов приблизительно одинаково и изменяется пропорционально абсолютной температуре:
.
Рассматривая электроны как одноатомный газ, можем на основании кинетической теории газов написать для коэффициента теплопроводности электронного газа:
,
где - удельная теплоемкость одноатомного газа при постоянном объеме.