Den fria elektronteorin, även känd som Drude -modellen, är en förenklad modell som används för att förklara metallernas elektriska och värmeledningsförmåga. Det gör flera antaganden, som är:
1. Gratis elektroner:
* metallatomer antas ha löst bundna yttre elektroner, som lätt kan lossna från atomen och röra sig fritt genom metallen. Dessa elektroner kallas "fria elektroner."
* Metallens positiva joner betraktas som fixerade i en gitterstruktur. Detta antar att interaktionen mellan jonerna är tillräckligt stark för att hålla dem i ett stabilt arrangemang.
2. Klassisk rörelse:
* De fria elektronerna behandlas som klassiska partiklar och följer Newtons rörelselag. Detta innebär att deras rörelse styrs av klassisk fysik och inte kvantmekanik.
* elektroner antas röra sig slumpmässigt, utan föredragen riktning, i frånvaro av ett externt elektriskt fält.
3. Kollisioner:
* fria elektroner kolliderar med de positiva jonerna på gitteret. Dessa kollisioner antas vara helt elastiska, vilket innebär att ingen energi går förlorad. Detta är en förenkling, eftersom verkliga kollisioner inte är helt elastiska.
4. Genomsnittlig fri väg:
* Elektroner antas resa i raka linjer mellan kollisioner, med ett konstant genomsnittligt avstånd som körs mellan kollisioner. Detta avstånd kallas den genomsnittliga fria vägen.
5. Termisk jämvikt:
* Elektroner antas vara i termisk jämvikt med gitteret. Detta innebär att elektronernas genomsnittliga kinetiska energi är lika med jonernas genomsnittliga kinetiska energi.
6. Elektriskt fält:
* I närvaro av ett elektriskt fält accelereras elektronerna av fältet och rör sig i en riktning motsatt till fältet. Detta leder till ledning av el.
Begränsningar av den fria elektronteorin:
* Den fria elektronteorin förutsäger inte exakt metallernas specifika värmekapacitet.
* Det misslyckas med att förklara halleffekten, vilket är utseendet på en spänning över en ledare som bär ström i ett magnetfält.
* Teorin tar inte hänsyn till elektronernas kvantitet.
Trots dess begränsningar ger den fria elektronteorin en enkel och användbar ram för att förstå de grundläggande elektriska och termiska egenskaperna hos metaller. Det utgör grunden för mer sofistikerade modeller som tar hänsyn till kvantens natur hos elektroner och interaktioner mellan elektroner och gitteret.
