Что мешает току течь по проводам?

Сегодня поговорим о знакомых нам со школы понятиях – электросопротивлении и электрической проводимости.

Многие помнят, что в законе Ома есть ток (I) – двигающиеся в каком-то направлении свободные электроны, напряжение (U) – штука, которая пинает эти электроны, чтобы они двигались (просто путем приложения плюса к одному концу и минуса к другому), и сопротивления (R) – нечто, что мешает этим электронам двигаться по проводнику.

И для последней величины даже есть отдельная формула, которая говорит о том, что чем длиннее проводник, тем больше вероятности электронам столкнуться с чем-то в металле, а, значит, больше сопротивление. Напротив, чем больше площадь сечения проводника, тем большее количество частиц через него проходит, и большее их число дойдет до пункта назначения. Это как в трубе с водой, чем она шире, тем проще в ней воде двигаться. Но там есть еще один коэффициент – удельное электросопротивление, который зависит от типа материала. Вот о нем поговорим подробнее.

Как я уже рассказывал ранее, в металлах положительно заряженные ионы сидят в узлах кристаллической решетки, и весь кристалл наполнен газом из свободных электронов. Так вот, подвижность этих электронов не у всех металлов одинакова, и зависит от того, как устроен тот или иной атом, и структура кристалла.
Я бы выделил четыре основных фактора, влияющие на сопротивление проводника (и на его проводимость, как обратную величину).

1️⃣ Концентрация свободных электронов. Логично, чем больше носителей заряда, тем больше тока будет переноситься. И здесь их количество, как раз связано с плотностью металла и плотностью упаковки атомов в кристалле. Чем больше атомов в единице объема, тем больше и электронов в нем. Кроме этого на концентрацию носителей заряда влияет и то, сколько в принципе свободных электронов содержится в каждом атоме того или иного вещества. Это мы узнаем из таблицы Менделеева.

2️⃣ Тип электронов и их подвижность. Обычно в проводимости тока участвуют электроны, сидящие на внешних электронных оболочках, подальше от ядра, меньше ощущающие его притяжение. Но у нас есть «особенные» металлы – переходные, у которых не заполнена внутренняя d-оболочка. У этих металлов, помимо электронов на внешней оболочке, в переносе заряда участвуют и «внутренние» d-электроны. А они, находясь ближе к ядру, подвергаются его влиянию сильнее, и, поэтому менее подвижны. У таких металлов проводимость меньше.

3️⃣ Чистота и идеальность кристалла. В металлах почти всегда присутствуют примеси или специально внесенные элементы в сплав. А если в кристаллической решетке среди множества ионов одного заряда встречаются ионы другого, то это нарушает баланс и искажает электрическое поле кристалла и саму решетку, тем самым отклоняя электроны от их привычной траектории (рассеивая). Чем больше «чужих» атомов, тем сильнее рассеивание. Также в металлах присутствуют различного рода дефекты. Например, когда в узле атом отсутствует или присутствует между узлами лишний. Могут отсутствовать целые цепочки атомов, и присутствовать много других дефектов, которые также искажают кристаллическую решетку и рассеивают электроны.

4️⃣ Внешние условия. Помимо рассеивания электронов на каких-то локальных центрах, описанных в п.3, на движение электронов могут влиять тепловые колебания решетки. Всегда энергия и скорость атомов и молекул пропорциональна температуре, только в газах они двигаются куда угодно, а в кристалле жестко привязаны к своему месту и колеблются вокруг него. Эти колебания тоже рассеивают электроны, и, чем больше температура, тем сильнее. Такие колебания, кстати, условно считают частицами под названием фононы. Когда мы греем металл до температуры плавления, то там вообще порядок разрушается, и сопротивление резко падает. Также на сопротивление может влиять пластическая деформация металла. Здесь мы просто увеличиваем количество дефектов в кристалле, искажаем решетку сильнее и появляется больше локальных центров рассеяния электронов.

Сейчас пока речь идет только про металлы, хотя к проводникам относятся не только они. Но это уже другая история.