2.1.     Общие представления

В качестве проводников электрического тока могут быть использова­ны твердые тела, жидкости и при соответствующих условиях – газы. Твердыми проводниками являются металлы и их сплавы, а также не­которые модификации углерода. К жидким проводникам относят рас­плавленные металлы, а также водные растворы солей, кислот, щелочей (электролиты). Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при сравни­тельно низких температурах, достаточно малых значениях напряженности электрического поля являются хорошими диэлектриками. Однако, при очень высоких температурах и при высоких напряженностях электрического поля в газах начинаются ионизационные процессы. В этом случае газ становится проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ при равенстве количества свободных элек­тронов и положительно заряженных ионов в единице объема представляют собой особую проводящую среду, называемую плазмой.

Механизм прохождения тока через твердые и жидкие металлы обу­словлен направленным движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля. Следовательно, металлы в твердом и жидком состоянии обладают электронной электропроводностью и назы­ваются проводниками I-го рода.

Механизм прохождения тока через электролиты обусловлен направ­ленным движением положительно и отрицательно заряженных ионов. Следовательно, электролиты обладают ионной электропроводностью и на­зываются проводниками II рода. Прохождение тока через электролиты связано с явлением электролиза. В соответствии с законами Фарадея со­став и свойства электролита при прохождении через него электрического тока меняются со временем. В связи с этим, с точки зрения использования в технике наибольший интерес представляют электронные (металлические) проводники.



Метал­лические проводники являются основным типом проводниковых материа­лов, применяемых в электро- и радиотехнике. С точки зрения зонной тео­рии твердых тел проводники – это вещества, у которых валентная зона вплотную примыкает или перекрывается зоной проводимости.

Согласно классической электронной теории металлов твердый про­водник представляют в виде системы узлов кристаллической ионной ре­шетки, внутри которой находится «электронный газ». «Электронный газ» образован коллективизированными (свободными) электронами. В коллек­тивизированное состояние от каждого атома отделяется один или два элек­трона.

Применяя представления и законы статистики обычных газов к «элек­тронному газу» дало возможность математически описать найденные ра­нее экспериментально законы: закон электропроводности (закон Ома); за­кон потерь электрической энергии (закон Джоуля-Ленца), а также устано­вить связь между электропроводностью и теплопроводностью (закон Видемана-Франца-Лоренца). Но ряд вопросов не мог быть разрешен с по­мощью классической электронной теории. Например:

· существует несоответствие теоретических и экспериментальных зависимостей электропроводности от температуры;

· теоретическая теплоемкость металлов выше эксперимен­тальной и т.д.

С помощью законов квантовой механики, эти затруднения лег­ко могут быть разрешены.

В отличие от классической электронной тео­рии, согласно квантовой механике электронный газ находится в состоянии «вырождения». В этом состоянии энергия электронного газа почти не за­висит от температуры, следовательно, тепловое движение практически не изменяет энергию электрона. В состояние, аналогичное состоянию

обычного газа, электронный газ переходит лишь при температурах порядка 1000 К. Нали­чие свободных (коллективизированных) электронов объясняет хорошую электропроводность и теплопроводность металлов. Их делокация («разма­занность») по всему объему обеспечивает их высокую пластичность.