La théorie des électrons libres, également connue sous le nom de modèle Drude, est un modèle simplifié utilisé pour expliquer la conductivité électrique et thermique des métaux. Il fait plusieurs hypothèses, qui sont:
1. Électrons libres:
* Les atomes métalliques sont supposés avoir des électrons extérieurs liés à une liaison vague, qui peuvent facilement se détacher de l'atome et se déplacer librement dans tout le métal. Ces électrons sont appelés «électrons libres».
* Les ions positifs du métal sont considérés comme fixés dans une structure de réseau. Cela suppose que l'interaction entre les ions est suffisamment forte pour les maintenir dans un arrangement stable.
2. Mouvement classique:
* Les électrons libres sont traités comme des particules classiques, obéissant aux lois du mouvement de Newton. Cela implique que leur mouvement est régi par la physique classique et non la mécanique quantique.
* Les électrons sont supposés se déplacer au hasard, sans direction préférée, en l'absence d'un champ électrique externe.
3. Collisions:
* Les électrons libres entrent en collision avec les ions positifs du réseau. Ces collisions sont supposées être parfaitement élastiques, ce qui signifie qu'aucune énergie n'est perdue. Il s'agit d'une simplification, car les véritables collisions ne sont pas parfaitement élastiques.
4. Moyenne libre parcours:
* Les électrons sont supposés voyager en lignes droites entre les collisions, avec une distance moyenne constante parcourue entre les collisions. Cette distance est appelée le libre parcours moyen.
5. Équilibre thermique:
* Les électrons sont supposés être en équilibre thermique avec le réseau. Cela signifie que l'énergie cinétique moyenne des électrons est égale à l'énergie cinétique moyenne des ions.
6. Champ électrique:
* En présence d'un champ électrique, les électrons sont accélérés par le champ et se déplacent dans une direction opposée au champ. Cela conduit à la conduction de l'électricité.
Limites de la théorie de l'électrons libres:
* La théorie des électrons libres ne prédit pas avec précision la capacité thermique spécifique des métaux.
* Il ne parvient pas à expliquer l'effet Hall, qui est l'apparence d'une tension à travers un conducteur portant le courant dans un champ magnétique.
* La théorie ne prend pas en compte la nature quantique des électrons.
Malgré ses limites, la théorie des électrons libres fournit un cadre simple et utile pour comprendre les propriétés électriques et thermiques de base des métaux. Il constitue la base de modèles plus sophistiqués qui prennent en compte la nature quantique des électrons et les interactions entre les électrons et le réseau.
