Согласно современным представлениям кристалл твердого или жидкого металла состоит из положительных ионов и свободных электронов. Ионы металла располагаются на одинаковых расстояниях один от другого и образуют правильную фигуру пространственной кристаллической решетки. Внутри решетки, подобно молекулам газа в воздухе, хаотично двигаются свободные электроны. В идеально правильной кристаллической решетке металла электроны двигались бы так же, как в пустоте. Однако включения посторонних примесей, искажающих решетку, а также тепловые движения атомов металла создают препятствия движению электронов. Часть электронов атомов металла, покидая свои орбиты, может попасть в поле других атомов и, сталкиваясь с другими электронами, выбить их со своих орбит, что приведет к образованию новых порций свободных электронов.
Рисунок 1. Ток в металлических проводниках
Электроны в атоме обладают не любыми, а только некоторыми, вполне определенными, значениями энергии (энергетические уровни). У большинства металлов заполненная и свободная зоны перекрываются и между ними запретной зоны нет. Поэтому электроны металла легко переходят из заполненной зоны в свободную, что обуславливает высокую электропроводимость металлов. Если приложить к концам металлического проводника электродвижущую силу, то под действием электрического поля свободные электроны металла получат добавочную скорость, вызванную электрическим полем. С увеличением силы поля все большая и большая часть ранее хаотически двигавшихся электронов принимает участие в направленном движении. В проводнике возникает электрический ток. Электроны при своем движении сталкиваются с составными частями атомов и молекул металла и передают им часть своей кинетической энергии, увеличивая их тепловое движение. В результате этого температура проводника повышается. Как было указано выше, тепловые движения частиц металла затрудняют движение электронов. Следовательно, с увеличением температуры проводника электрическое сопротивление его увеличивается. Сопротивление металлического проводника зависит и от наличия в нем примесей. Чем чище металл, тем ниже его электрическое сопротивление. Можно предположить, что сопротивление чистых металлов при абсолютном нуле температуры (– 273 °С) должно быть равно нулю. При этом наступает явление сверхпроводимости.
Видео 1. Электрический ток в металлических проводниках
Источник: Кузнецов М. И., "Основы электротехники" - 9-е издание, исправленное - Москва: Высшая школа, 1964 - 560с.