Это качество означает способность металлов проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля в том случае, когда металл входит в состав электрической цепи. Носителями тока являются электроны, движение которых в электрическом поле усиливается в сторону положительного полюса. Скорость их не может возрастать непрерывно; в кристалле через некоторое время они сталкиваются с каким-нибудь препятствием, и таким образом устанавливается постоянное значение скорости потока.

Электропроводность

При комнатной температуре в куске металла электрон испытывает столкновение 1015 раз в секунду. Однако от столкновения до столкновения он успевает пролететь мимо десятков атомов — огромное расстояние в мире электронов. В хороших проводниках, например в серебре или меди, свободный пробег при комнатной температуре равен доброй сотне атомных диаметров.

Какого же рода преграды встречает электрон? В реальном металле электроны встречают множество препятствий: атомы и ионы, расположенные не на одной линии с другими; отсутствие атомов в тех местах, где они должны быть; чужеродные атомы, попавшие в кристалл; трещины, дефекты и другие отклонения от идеальной кристаллической структуры.

Встречается препятствие и совсем иного рода. Оно заключается в колебательном движении ионов и атомов, расположенных в узлах кристаллической решетки. С изменением температуры меняется амплитуда колебаний, а это, естественно, ведет к уменьшению вероятности того, что электрон пролетит мимо. Так как амплитуда колебаний атомов около положения равновесия усиливается с ростом температуры, следовательно, и электропроводность, и обратная ей величина — электросопротивление — тоже должны изменяться.

Действительно, эксперименты подтверждают, что выше - 193°С электрическое сопротивление металлов увеличивается пропорционально температуре и, наоборот, его электропроводность становится меньше. При охлаждении эта прямая зависимость от температуры нарушается. Способность металла проводить электрический ток резко возрастает. Некоторые металлы, например свинец, олово, ртуть, при обычной температуре не отличаются хорошей проводимостью, при низких температурах обнаруживают свойство сверхпроводимости. При охлаждении ниже какой-то температуры (различной для разных веществ) эти металлы вдруг полностью теряют свое сопротивление. Если кольцо, сделанное из такого металла, погрузить в жидкий водород (темп. кип. — 252,8°С), с помощью магнита возбудить в нем электрический ток, то он будет циркулировать в металле очень долго. Наличие его обнаруживали даже спустя год.

Рассмотрим теперь, что произойдет, если присоединить кусок проволоки к аккумуляторной батарее. Электрический ток потечет в сторону положительного полюса. Ко всем электронам, находящимся в проволоке, прикладывается сила со стороны электрического поля. Если направление поля и движение электрона совпадают, то он начинает двигаться с большей скоростью. Если электрон перемещался в другую сторону, то под действием электрического поля он будет замедляться, а если в каком-нибудь ином направлении, то электрическая сила будет заставлять его отклоняться по направлению к положительному полюсу. При установившемся режиме число электронов, двигающихся по направлению силы приложенного электрического поля, несколько больше, чем в каком-либо другом. В результате мы наблюдаем ток, текущий по проволоке.

Эти рассуждения в одинаковой мере относятся ко всем металлам. Однако известно, что электропроводность каждого из них различна. Ее величина зависит от концентрации электронов в энергетической зоне металла, от типа кристаллической решетки, размеров и особенностей строения составляющих ее атомов. При равных температурных условиях одни элементы проводят электрический ток хорошо, другие плохо: атомы различных металлов при одинаковой температуре имеют разную амплитуду тепловых колебаний. Это вызывает различное рассеяние электронов и отличие в электропроводности. Наилучшей проводимостью обладают серебро, медь и золото, потому что сочетание всех указанных условий у них наиболее благоприятное. Одновалентные переходные металлы (щелочные) — лучшие проводники, чем щелочноземельные и переходные элементы. Эти особенности можно объяснить, если рассмотреть степень заполнения энергетических зон в различных металлах. Если в такой зоне, образовавшейся в результате перекрывания внешних оболочек атомов, электронов мало, то и проводимость будет низкая. Одинаково плохо, когда зона почти заполнена, так как при полной зоне проводимость равна нулю. Лучше всего, когда зона заполнена наполовину.

Внешний слой щелочных металлов — это s-подуровень, на котором могут находиться два электрона, а у них имеется один. Значит, зона заполнена наполовину, поэтому такие металлы хорошо проводят ток. У щелочноземельных полностью занят s-подуровень и, чтобы появился ток, электронам нужно перебираться на p-подуровень.

Температурное изменение электропроводности

Рис. 1. Отличие металлов от неметаллов
по температурному изменению электропроводности.

В таком случае получается, что у них s-зона почти заполнена, а в p-зоне электронов мало. Следовательно, условия для прохождения тока у щелочноземельных хуже, чем у щелочных. Еще хуже обстоит дело у висмута: разница между заполненным и пустым подуровнем у него значительна. Небольшого перекрывания едва хватает для обеспечения минимальной проводимости. Переходные металлы, как правило, обладают низкой проводимостью. Это объясняется малой величиной свободного пробега электронов. Частично заполненные d-подуровни способствуют отражению и рассеянию электронов, что вызывает переход электронов в другое квантовое состояние и приводит к уменьшению их числа в энергетической зоне проводимости.

Электропроводность тесно связана с влиянием температуры на вещество. По ее изменению можно отличить металл от неметалла. У металлов электропроводность с ростом температуры падает, а у неметаллов, наоборот, увеличивается. В неметалле при высоких температурах усиливаются колебания атомов и возрастает число электронов, которые отрываются от связей и становятся носителями тока. Чем выше температура, тем меньше электрическое сопротивление такого вещества. В металлах дело обстоит как раз наоборот: при любых температурах число электронов — переносчиков тока — велико. С ростом температуры увеличиваются амплитуды колебательного движения ионов, обусловливая рассеяние электронов, и таким образом увеличивается сопротивление. На рисунке 12 приведено сравнение температурного изменения электрического сопротивления германия и меди. Из него можно заключить, что германий не может считаться металлом (он является полупроводником). Таким образом, электропроводные и теплопроводные качества металлов тесно связаны между собой. Каждый видел накаленную докрасна электроспираль или светящийся волосок электролампы. Теперь вы знаете, что эта теплота получается от электронов, приобретающих дополнительную энергию от электрического поля и снова теряющих ее при столкновении с каким-нибудь препятствием в проволоке.