Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т. е. электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металла. Ионы в металлах не участвуют в переносе электричества. Рассмотрим опытные доказательства этого.

Прежде всего отметим опыт немецкого физика Г. Pиккe (1845 – 1915), осуществленный в 1901 г. В этом опыте в течение года электрический ток пропускался через три последовательно соединенных с тщательно отшлифованными торцами металлических цилиндра (медный, алюминиевый и снова медный) одинакового радиуса. Несмотря на то, что общий заряд, прошедший через эти цилиндры, достигал огромного значения  никаких, даже микроскопических, следов переноса вещества не обнаружилось. Взвешивание, произведенное до и после опыта, показало, что масса цилиндров не изменилась. Это явилось экспериментальным доказательством того, что ионы в металлах не участвуют в переносе электричества, а перенос заряда в металлах осуществляется частицами, которые являются общими для всех металлов.

рис 22.1

Такими частицами могли быть открытые в 1897 г. английским физиком Джозефом Томсоном (1856 – 1940) электроны. Для доказательства этого предположения необходимо было определить знак и величину удельного заряда носителей (отношение заряда носителя к его массе). Идея подобных опытов заключалась в следующем: если в металле имеются подвижные, слабо связанные с решеткой носители тока, то при резком торможении проводника эти частицы должны по инерции смещаться вперед, как смещаются вперед пассажиры, стоящие в вагоне при его торможении. Результатом смещения зарядов должен быть импульс тока; по направлению тока можно определить знак носителей тока, а, зная размеры и сопротивление проводника, можно вычислить удельный заряд носителей. Идея этих опытов (1913) и их качественное воплощение принадлежат российским физикам С.Л.Мандельштаму (1879 – 1944) и Н.Д.Папалекси (1880 – 1947). Они установили, что в катушке с проволокой (рис. 22.2), совершающей вращательные колебания вокруг своей оси, действительно возникает переменный ток: к концам катушки подключался телефон, в котором был слышен звук, обусловленный импульсами тока. Затем этот опыт был предложен вновь Г.А.Лорентцом. И в 1916 г. он был усовершенствован и проведен американским физиком Р.Толменом (1881 – 1948) и ранее шотландским физиком Б.Стюартом (1828 – 1887).

Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рисунке 22.3. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы обмотки были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру при помощи длинных гибких проводов, скручивающихся при вращении катушки. После раскручивания катушки она резко тормозилась специальным приспособлением. Общая длина обмотки составляла примерно 500 метров, а линейная скорость движения проволоки достигала 300 метров в секунду. При измерениях тщательно устранялось действие магнитного поля Земли, которое могло бы вызвать появление индукционных токов.

рис 22.2

Опыты показали, что при торможении катушки в цепи действительно возникает кратковременный ток, а его направление соответствует отрицательно заряженным частицам. В этих опытах было определено отношение заряда к массе носителей заряда, . При помощи простых рассуждений легко показать, что полный заряд Q, протекающий по цепи за время торможения катушки, выражается формулой

(22.1)