Конспект урока по физике «Электрический ток в металлах. Природа электрического сопротивления и его зависимость от температуры»
Электрической проводимостью вещества называют его способность проводить электрический ток под действием электрического поля.
Все тела по проводимости электрического тока делятся на:
1. Проводники. К проводникам прежде всего следует отнести все металлы, среди которых наилучшей электропроводностью обладают серебро, медь, алюминий. Применяются в передаче электроэнергии от источников тока к потребителям. Используются также в генераторах, электродвигателях, трансформаторах, электроизмерительных приборах и т. д.
Наряду с металлами хорошими проводниками являются водные растворы или расплавы электролитов и ионизованный газ — плазма. При определенных условиях и в вакууме может существовать электрический ток. Так, в вакуумных электронных приборах электрический ток образуют потоки электронов, поступающие из специальных устройств.
2. Полупроводники. Эти вещества не настолько хорошо проводят электрический ток, чтобы их назвать проводниками, и не настолько плохо, чтобы их отнести к диэлектрикам. К ним относятся кремний, германий, селен и многие другие вещества. Существуют и жидкие полупроводники. Полупроводники нашли широкое применение в электротехнике, радиотехнике, в электронно-вычислительных машинах, автоматике и т. д.
3. Диэлектрики. К числу хороших изоляторов относятся янтарь, фарфор, резина, стекло, парафин. Жидкими диэлектриками являются керосин, минеральное (трансформаторное) масло, лаки, чистая (дистиллированная) вода и др. Лучший изолятор — вакуум и воздух. Однако при некоторых условиях, например в сильном электрическом поле, происходит расщепление молекул диэлектрика на ионы, и вещество, которое при отсутствии электрического поля или в слабом поле было диэлектриком, становится проводником.
По физической природе зарядов – носителей электрического тока, электропроводность подразделяют на электронную, ионную, смешанную.
Какие заряженные частицы движутся в металлах при наличии тока?
После открытия в 1897 году английским ученым Дж. Дж. Томсоном электрона стали разрабатываться теории, объясняющие электропроводность металлов. Автором первой теории был Пауль Друде – немецкий физик. Эта теория нуждалась в опытном обосновании. В 1901 г. немецкий физик Э. Рикке поставил опыт по исследованию прохождения тока в металлах.
Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют. Впоследствии вопросом проводимости металлов заинтересовались и другие учёные. В 1913 году российские учёные Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси провели опыты по исследованию проводимости металлов, которые доказывают, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов. После анализа имеющихся данных о прохождении тока в металлах разными учеными была разработана современная классическая теория проводимости тока металлами. Одним из основных положений электронной теории проводимости металлов является то, что электрический ток в металле образуется только за счет упорядоченного движения свободных электронов, тип проводимости – электронная.
Опираясь на данную теорию, удалось объяснить основные законы электрического тока в металлах.
«Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость»
На силу тока в проводнике влияет и сопротивление проводника. Опыт показывает, что сопротивление металлов зависит от температуры.
При нагревании размеры проводника практически не меняются, в основном меняется удельное сопротивление. Учет зависимости сопротивления от температуры используется в термометрах сопротивления. Зависимость удельного сопротивления металлического проводника от температуры,
, где ρ0 — удельное сопротивление при 0 0 С, t — температура,
α — температурный коэффициент сопротивления.
Графиком зависимости ⍴ (t) является прямая.
Хотя коэффициент α довольно мал, учет зависимости сопротивления от температуры при расчете нагревательных приборов совершенно необходим.
При понижении температуры сопротивление металлов должно уменьшаться. В 1911 году датский физик Х. Каммерлинг — Оннес открыл явление, названное сверхпроводимостью. Исследуя зависимость сопротивления ртути от температуры, он обнаружил, что при температуре 4,12 К сопротивление ртути исчезает. В сверхпроводящее состояние могут перейти многие химические соединения и сплавы. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах.
Вещества, находящиеся в сверхпроводящем состоянии, приобретают новые свойства. Наиболее важным из них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток в проводниках.
Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Теоретическое объяснение явления сверхпроводимости на основе квантово-механических представлений было дано учеными Дж. Бардиным, Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) в 1957 г.
В 1986 году была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).
В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ переходящими в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре. Ученые надеются получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если удастся создать сверхпроводник при нормальной температуре, то будет решена проблема передачи электроэнергии по проводам без потерь. Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.
Открытие вещества, переходящего в сверхпроводящее состояние при комнатной температуре, позволило бы упростить решение многих технических вопросов. Во-первых, отсутствие сопротивления означает отсутствие каких-либо потерь на нагревание. Отсутствие нагревания и потерь энергии на него чрезвычайно важно для электродвигателей и электронной вычислительной техники, а также для передачи электроэнергии.
В сверхпроводниках из-за отсутствия сопротивления протекают чрезвычайно высокие токи, создающие сильные магнитные поля, что может применяться при термоядерном синтезе для удержания высокотемпературной плазмы в реакторе.
На сегодняшний момент в некоторых странах существует железнодорожная сеть с поездами на магнитной подушке. После открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннес, пытаясь создать сверхпроводящий электромагнит, обнаружил, что изменение тока, или же магнитные поля, разрушают эффект сверхпроводимости. Только к середине двадцатого века удалось создать сверхпроводящие электромагниты. На данный момент продолжаются исследования по изучению высокотемпературной сверхпроводимости.
Источник
Природа сопротивления металлов
Было выяснено, что электрический ток в проводнике начинается под действием внутреннего электрического поля, разгоняющего заряды. Сила, действующая на заряд со стороны поля равна . Однако, если на тело действует сила, то его скорость должна меняться, в данном случае – увеличиваться. Из эксперимента видно, что, прикладывая к проводнику постоянное напряжение, мы получаем постоянную силу тока, то есть, через каждое сечение проводника в единицу времени проходит постоянное количество носителей, и это количество не меняется со временем. Значит, носители в проводнике движутся равномерно. Скорость направленного движения составляет несколько мм/с. Если использовать механическую модель (модель Друде), то можно предположить, что на электроны в кристалле действует сила сопротивления со стороны решетки. Она компенсирует электрическую силу, подобно тому, как сила трения компенсирует силу тяги, приложенную к равномерно движущимся санкам. Если убрать силу тяги, то санки остановятся.
Будем считать, что электрическая сила разгоняет заряд до столкновения с атомом, которому он отдает всю приобретенную кинетическую энергию. То есть, все движение состоит из таких разгонов и остановок. Кстати, передача энергии кристаллической решетке приводит к усилению хаотического движения ее атомов, то есть, кристалл нагревается. Это и наблюдается, допустим, при протекании тока через спираль лампы накаливания. Это грубая модель, но ничего точнее у нас нет.
Пусть электрон проходит между столкновениями путь L и приобретает на этом пути скорость V.. Значит, он движется со средней скоростью . Работа электрической силы равна приобретенной перед столкновением кинетической энергии . Время между столкновениями . Что такое сила тока? Это заряд, протекающий через сечение проводника в единицу времени. Если прошло время Dt, то через нарисованное сечение пройдут заряды, находившиеся в объеме цилиндра с основанием S и высотой VC Dt. Если число зарядов в единице объема n (концентрация зарядов), а величина одного заряда е, то протекший через это сечение за время Dt заряд равен
Подставим в эту формулу полученное нами значение . Тогда поэтому . Видно, что наша формула соответствует формуле закона Ома, причем . То есть, используя модель вещества, пусть самую простейшую, мы получили выражение удельного сопротивления через величины, характеризующие движение электронов. Ясно, что с увеличением концентрации носителей n сопротивление будет падать. В металлах концентрацию электронов изменить почти невозможно. Если же скорость их хаотического теплового движения возрастет, то время t уменьшится, поэтому удельное сопротивление возрастет. Что и происходит с ростом температуры проводника. К сожалению, столь простая модель не приводит к верной численной зависимости удельного сопротивления проводника от температуры. При температурах, сравнимых с комнатными, эта зависимость линейная и выражается соотношением , где r0– удельное сопротивление материала при 0 0 С, a – температурный коэффициент сопротивления. При 20 0 С он равен
Сам вид зависимости выглядит довольно просто.
При уменьшении температуры удельное сопротивление монотонно уменьшается, и при температурах очень близких к абсолютному нулю (эта температура соответствует -273,15 0 С) в некоторых чистых металлах может происходить очень необычное явление. Когда до абсолютного нуля остается 1-3 0 С удельное сопротивление становится равно точному значению 0. То есть электроны полностью перестают испытывать сопротивление решетки. Это замечательное явление, объясненное лишь в рамках современной теории вещества (квантовой теории) называется сверхпроводимостью. В настоящее время оно используется для получения больших токов, длительное время протекающих по обмоткам мощных электромагнитов.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Источник