Д.Д. Томсон: Кн. для учащихся - Кудрявцев С.П.
Скачать (прямая ссылка):
,- = 4-5?.
Томсон провел сравнение электропроводности металлов с их теплопроводностью. Из молекулярно-кинетической теории газов известно, что коэффициент теплопроводности
X=^nlua. (1)
В выражении закона Ома 4- —'1— коэффициент электропровод-
^ TTlU
—2
ности б. Учитывая, что = а,Т, можно выражение для коэффициента электропроводности представить в виде
1 пе21и
6=-
W (2)
б 3 2
Разделив выражение 2 на выражение 1, получим — =— -^=,
А 4 сх T
где а, е — величины постоянные, не зависящие от природы металла. Это позволило Томсону сделать вывод, что «отношение электропроводности к теплопроводности для всех металлов есть величина постоянная, обратно пропорциональная абсолютной температуре металла». Эта формулировка соответствует закону, установленному опытным путем в 1853 г. немецкими физиками Г. Видеманом и Р. Францем.
Опытная проверка значений отношения коэффициентов электропроводности и теплопроводности, предпринятая рядом ученых, показала хорошее согласие теоретических и экспериментальных результатов для многих металлов. Это было большим успехом электронной теории проводимости металлов.
Правда, дальнейшие проверки отношения -f- для ряда метал-
Л
лов и особенно сплавов показали ограниченность применения закона Видемана — Франца и, следовательно, электронной теории.
Томсон применил свою теорию для объяснения ряда известных в физике эффектов — эффекта Пельтье, У. Томсона, Холла. Француз Жан Пельтье (1785—1845), часовщик по специальности, оставивший часовое дело ради занятий наукой, обнаружил в 1834 г., что в месте контакта двух различных проводников происходит поглощение или выделение теплоты
53 в зависимости от направления тока. Томсон дает следующее объяснение этому термоэлектрическому явлению.
Пусть соприкасаются два металла А и В, имеющие одну и ту же температуру и различное давление «электронного газа», в А большее, чем в В. Тогда электроны будут перетекать из металла А в металл В. Проводник В будет заряжаться отрицательным электричеством, а проводник А — положительным. Положительный заряд проводника А будет притягивать электроны и затруднять их движение к металлу В. Переход электронов от А к В прекратится, когда действие сил притяжения металла А и сил отталкивания металла В уравновесят действие разности давлений. Положительный заряд в металле А и отрицательный в металле В концентрируются у самой границы поверхности раздела и создают разность потенциалов, которая называется термоэлектрической разностью потенциалов или эффектом Пельтье.
Томсон писал: «По интенсивности явления Пельтье при сочетании одного какого-нибудь металла поочередно со всеми прочими металлами мы можем найти отношения числа корпускул в каждом из этих металлов к числу корпускул в исходном металле. Поступая таким образом, мы можем найти отношение свободных путей корпускул в различных металлах, потому что при одной и той же температуре проводимость металла пропорциональна произведению числа корпускул в единице объема и свободного пути корпускулы в металле; вместе с тем мы можем узнать, совместимы ли вычисленные таким образом свободные пути с другими свойствами металлов. Такое сравнение приводит, однако, по моему мнению, к заключению, что предполагаемый нами механизм прохождения механического тока в проводнике является в лучшем случае лишь частью процесса электропроводности металлов, но не исчерпывает его».
Так, при плавлении электропроводность некоторых металлов сильно менялась. Электропроводность олова, цинка, свинца в твердой фазе была в два раза больше, чем в жидкой. Она зависела от числа электронов в единице объема и их средней длины свободного пробега. Длина свободного пробега электронов в твердой фазе была меньше, чем в жидкой (металлы при плавлении расширяются), а так как электропроводность в твердой фазе в два раза больше, то концентрация электронов в твердой фазе должна быть больше их концентрации в жидкой фазе более чем в два раза. Этому должен соответствовать заметный эффект Пельтье. Однако экспериментаторы не смогли заметить какого-либо эффекта. Это противоречие электронт ная теория Томсона объяснить не смогла. Из предыдущей цитаты мы видим, что Томсон прекрасно осознавал несовершенство своей теории.
Недостатки ее проявлялись не только при объяснении
54 эффекта Пельтье. Большие трудности встретила электронная теория и при объяснении явления Холла. Американский физик Эдвин Холл (1855—1938) в 1879 г. открыл явление, заключающееся в возникновении в проводнике с током, помещенном в магнитное поле, электрического поля, перпендикулярного к направлению тока и магнитному полю. При попытке объяснения этого явления возникал вопрос: почему вектор напряженности электрического поля был для одних металлов положительный, для других — отрицательный? Друде обходил это затруднение, предполагая наличие положительных и отрицательных носителей тока в металлах. В одних металлах, по его мнению, преобладали отрицательные носители, а в других — положительные. Эффект Холла он объяснял действием . силы Лоренца на носители тока, а знак эффекта зависел от знака частиц, осуществляющих электроповод-ность.
