Физика электрического тока в металлах хранит множество удивительных парадоксов. Один из них связан с тем, как электроны, участвующие в постоянном хаотическом движении из-за тепловой энергии, тем не менее способны создавать упорядоченный поток под действием электрического поля.
В металлах при комнатной температуре свободные электроны совершают хаотическое движение со скоростями порядка 105-106 м/с. Это движение абсолютно беспорядочно - электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки и друг с другом, постоянно меняя направление.
Несмотря на высокую скорость теплового движения, в отсутствие внешнего электрического поля средний ток равен нулю - движение электронов статистически симметрично во всех направлениях.
Интересный факт: средняя скорость теплового движения электронов в сотни раз больше скорости упорядоченного движения при протекании тока!
При включении внешнего электрического поля происходит следующее:
Этот процесс можно сравнить с толпой людей в коридоре: каждый перемещается хаотично, но при наличии общего направления движения (например, к выходу) возникает упорядоченный поток.
Упорядоченное движение характеризуется несколькими ключевыми параметрами:
Разница между скоростями теплового движения и дрейфового потока колоссальна - это одна из причин, почему упорядоченное движение не разрушается тепловыми колебаниями.
Несколько факторов определяют эффективность упорядоченного движения электронов:
В целом, упорядоченное движение электронов возникает из-за того, что электрическое поле создает небольшую, но постоянную компоненту скорости в определенном направлении, которая "накладывается" на их хаотичное тепловое движение.