§ 88. Причина электрического сопротивления.

Теперь мы можем понять, почему металлы оказывают сопротивление электрическому току, т. е. почему для поддержания длительного тока нужно все время поддерживать разность потенциалов на концах металлического проводника. Если бы электроны не испытывали никаких помех в своем движении, то, будучи приведены в упорядоченное движение, они двигались бы по инерции, без действия электрического поля, неограниченно долго. Однако в действительности электроны испытывают соударения с ионами. При этом электроны, обладавшие перед соударением некоторой скоростью упорядоченного движения, после соударения будут отскакивать в произвольных, случайных направлениях, и упорядоченное движение электронов (электрический ток) будет превращаться в беспорядочное (тепловое) движение: после устранения электрического поля ток очень скоро исчезнет. Для того чтобы получить длительный ток, нужно после каждого соударения вновь и вновь гнать электроны в определенном направлении, а для этого нужно, чтобы на электроны все время действовала сила, т. е. чтобы внутри металла было электрическое поле.

Чем большая разность потенциалов поддерживается на концах металлического проводника, тем сильнее внутри него электрическое поле, тем больше ток в проводнике. Расчет, которого мы не приводим, показывает, что разность потенциалов и сила тока должны быть строго пропорциональны друг другу (закон Ома).

Двигаясь под действием электрического поля, электроны приобретают некоторую кинетическую энергию. При соударениях эта энергия частично передается ионам решетки, отчего они приходят в более интенсивное тепловое движение. Таким образом, при наличии тока все время происходит переход энергии упорядоченного движения электронов (тока) в энергию хаотического движения ионов и электронов, которая представляет собой внутреннюю энергию тела; а это значит, что внутренняя энергия металла увеличивается. Этим объясняется выделение джоулева тепла.

Резюмируя, можно сказать, что причина электрического сопротивления заключается в том, что электроны при своем движении испытывают соударения с ионами металла. Эти соударения производят такой же результат, как и действие некоторой постоянной силы трения, стремящейся тормозить движение электронов.

Различие в проводимости разных металлов обусловлено некоторыми различиями в числе свободных электронов в единице объема металла и в условиях движения электронов, что сводится к различию в средней длине свободного пробега, т. е. пути, проходимого в среднем электроном между двумя соударениями с ионами металла. Однако эти различия не очень значительны, вследствие чего проводимость одних металлов отличается, как показывает табл. 2 (§ 47), от проводимости других всего лишь в несколько десятков раз; в то же время проводимость даже худших из металлических проводников в сотни тысяч раз больше проводимости хороших электролитов и в миллиарды раз превосходит проводимость полупроводников.

Явление сверхпроводимости (§ 49) означает, что в металле возникли условия, при которых электроны не испытывают сопротивления своему движению. Поэтому для поддержания длительного тока в сверхпроводнике не нужно наличия разности потенциалов. Достаточно каким-либо толчком привести электроны в движение, и тогда ток в сверхпроводнике будет существовать и после устранения разности потенциалов. Об этом опыте мы уже говорили в § 49.