Тема: Электрическая проводимость различных веществ. Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость.
Группа: ПК-261
Дата: 07.11.2020 г.
Студенты должны знать: на какие виды по проводимости делятся вещества, какой проводимостью обладают металлы, как зависит сопротивление проводников от температуры.
Студенты должны уметь: объяснять явление сверхпроводимости.
План
1. Электрическая проводимость различных веществ.
2. Зависимость сопротивления проводника от температуры.
3. Сверхпроводимость.
Электрическая проводимость различных веществ.
Для существования электрического тока необходимо два условия существования электрического поля и свободные заряженные частицы. Мы уже знаем, что в металлах свободными зарядами являются электроны. Познакомились с вольтамперной характеристикой этих проводников.
Немецкий физик К. Рикке в 1901 г. провел следующий опыт. Три предварительно взвешенных цилиндра (два медных и один алюминиевый) Рикке сложил отшлифованными торцами так, что алюминиевый оказался между медными. Затем цилиндры были включены в цепь постоянного тока: через них в течение года проходил ток. Вторичное взвешивание цилиндров показало, что масса цилиндров не изменилась. При исследовании торцов не было обнаружено проникновение одного металла в другой. Результаты свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют. Для выявления природы носителей тока в металлах Л. И. Мандельштам и Н. Д. Пакалекси в 1913 г. провели следующий опыт.
Если металлический стержень движется поступательно со скоростью V, то носители тока в результате их взаимодействия с кристаллической решеткой движутся также со скоростью V. При резком торможении стержня носители тока будут продолжать двигаться по инерции. Поэтому в замкнутой цепи появляется кратковременный ток, который обнаруживается с помощью гальванометра. В этих опытах было определено отношение заряда к массе носителей заряда. Зная заряд электрона, можно было определить массу частиц. Она оказалась порядка 10-30 кг, что в несколько тысяч раз меньше массы иона. Вывод: носителями могли быть только электроны.
Немецкий физик П. Друде в 1900 г., опираясь на представление об электрическом токе в металлах как упорядоченном движении свободных электронов между ионами кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля, создал теорию электропроводимости металлов. В основе этой теории лежат следующие допущения:
1. Свободные электроны в металлах ведут себя как молекулы идеального газа: «электронный газ» подчиняется законам идеального газа.
2. Движение свободных электронов в металлах подчиняется законам классической механики Ньютона.
3. Свободные электроны в процессе их хаотического движения сталкиваются не между собой, а с ионами кристаллической решетки.
4. При столкновениях электронов с ионами электроны передают ионам свою кинетическую энергию полностью.
Эти допущения огрубляют истинную картину явления, но, несмотря на это, на основе электронной теории и удалось объяснить основные законы электрического тока в металлах.
Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно. Движение электронов в металле подчиняется законам квантовой физики.
Наряду с металлами хорошими проводниками являются водные растворы или расплавы электролитов.
Кроме проводников и диэлектриков имеется группа веществ, проводимость которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Они получили название полупроводников.
Зависимость сопротивления проводника от температуры.
Напомним, что электрические свойства проводника характеризуются его удельным сопротивлением.
Как вы знаете, в таблицах удельных сопротивлений веществ очень часто указывается температура, при которой удельное сопротивление было измерено. Тогда логично предположить, что сопротивление проводника должно каким-то образом зависеть от температуры.
Это предположение можно проверить на опыте. Для этого собирают электрическую цепь, состоящую из источника тока, проволочной спирали и амперметра. Включают источник тока, и отмечают показание амперметра.
А теперь давайте нагреем исследуемую спиральку, например, с помощью спиртовки. Не трудно увидеть, что показания амперметра начинают уменьшаться. Вывод очевиден: при увеличении температуры сопротивление металлов увеличивается.
Объясняется этот факт достаточно просто. Вы знаете, что удельное сопротивление вещества металлического проводника зависит от концентрации свободных носителей заряда и числа их столкновений с ионами кристаллической решётки, совершающими колебательные движения около положений устойчивого равновесия. В металлических проводниках концентрация свободных электронов практически постоянна для данного проводника и не зависит от температуры.
Однако число столкновений свободных электронов с ионами кристаллической решётки с ростом температуры возрастает. Это приводит к возрастанию удельного сопротивления металлического проводника при повышении температуры.
Если принять, что при 273 К (то есть при 0 оС) удельное сопротивление проводника равно ρ0, а при температуре Т оно равно ρ, то, как показывает опыт, относительное изменение удельного сопротивления пропорционально изменению абсолютной температуры (которое, напомним, совпадает с изменением температуры по шкале Цельсия):
В записанном уравнении α — это температурный коэффициент. Он численно равен относительному изменению удельного сопротивления вещества проводника при изменении его температуры на 1 К:
Таким образом, удельное сопротивление вещества металлического проводника возрастает с увеличением температуры.
Поскольку сопротивление проводника прямо пропорционально удельному сопротивлению вещества, из которого изготовлен проводник, то, не учитывая незначительную температурную зависимость отношения l/S, можно записать такие соотношения:
Здесь R 0 и R — это сопротивления проводника соответственно при нуле градусов Цельсия и при данной температуре.
Отметим, что для металлических проводников эти формулы применимы при температурах более T >140 К.
У всех металлов при повышении температуры сопротивление возрастает. То для них температурный коэффициент сопротивления — это величина положительная. У растворов же электролитов наоборот с ростом температуры сопротивление уменьшается. Значит их температурный коэффициент сопротивления меньше нуля.
Для большинства металлов (но не сплавов) при температурах от 0 для 100 оС температурный коэффициент можно считать постоянным и равным его среднему значению на этом интервале температур:
Давайте, для примера определим сопротивление алюминиевого проводника при температуре 90 оС, если при температуре 20 оС его сопротивление равно 4 Ом. Температурный коэффициент сопротивления алюминия α = 4,2 · 10–3 К–1.
Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в специальных приборах — термометрах сопротивления. Широкое распространение получили термометры сопротивления из чистых металлов, особенно платины и меди, которые конструктивно представляют собой металлическую проволоку, намотанную на жёсткий каркас (из кварца, фарфора или слюды), заключённый в защитную оболочку (из металла, кварца, фарфора, стекла). Платиновые термометры сопротивления применяют для измерения температуры в пределах от –263 до 1064 oС, а медные — от –50 до 180 oС.
Если при изготовлении электроизмерительных приборов требуются проводники, сопротивление которых должно как можно меньше зависеть от температуры окружающей среды, то используют специальные сплавы — константан и манганин.
Сверхпроводимость.
В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес исследуя зависимость сопротивления ртути от температуры обнаружил одно замечательное явление. Вначале эксперимента всё шло по плану: сопротивление металла при охлаждении постепенно уменьшалось. Однако при температуре меньше либо равной 4,12 К (по современным измерениям при 4,15 К) электрическое сопротивление ртути резко исчезало.
Явление падения до нуля сопротивления проводника при определённой температуре называется сверхпроводимостью, а проводник в этом состоянии — сверхпроводником.
Температуру, при которой электрическое сопротивление проводника обращается в ноль, называют критической температурой.
Открытие Камерлинг-Оннеса, за которое в 1913 году ему была присуждена Нобелевская премия, повлекло за собой исследования свойств веществ при низких температурах. Позже многочисленными опытами было установлено, что это явление характерно для многих проводников. Каждый сверхпроводящий металл характеризуется своей критической температурой.
У веществ в сверхпроводящем состоянии были отмечены резкие аномалии магнитных, тепловых и ряда других свойств. Так, например, если в кольцевом проводнике, находящемся в сверхпроводящем состоянии, создать ток, а затем удалить источник тока, то сила этого тока в таком проводнике не меняется сколь угодно долго. В обычном же (несверхпроводящем) проводнике электрический ток в этом случае прекращается. Это указывает на перспективу использования явления сверхпроводимости при передаче электрической энергии.
Сверхпроводящие соединения нашли применение в качестве материала обмоток электромагнитов для создания сильных магнитных полей в установках управляемого термоядерного синтеза, а также в мощных электрических двигателях и генераторах.
Объяснение сверхпроводимости возможно только на основе квантовой теории. Оно было дано лишь в 1957 году американскими учёными Джоном Бардиным, Леоном Купером и Джоном Шриффером, а также советским учёным и академиком Николаем Николаевичем Боголюбовым.
Очень упрощённо механизм сверхпроводимости можно объяснить так: при критической температуре электроны объединяются в правильную шеренгу и движутся, не сталкиваясь с кристаллической решёткой, состоящей из ионов. Это движение существенно отличается от обычного теплового движения, при котором свободный электрон движется хаотично.
В 1986 году была открыта высокотемпературная сверхпроводимость. Получены сложные оксидные соединения лантана, бария и других элементов с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 100 К. Это выше температуры кипения жидкого азота при атмосферном давлении (77 К).
Высокотемпературная сверхпроводимость в недалёком будущем приведёт наверняка к новой технической революции во всей электротехнике, радиотехнике и конструировании компьютеров.
Контрольные вопросы:
1. В чем заключается опыт Рикке? Какова его основная идея?
2. В чем заключается идея опыта Мандельштама-Папаленси.
3. Каковы основные положения электронной теории электропроводимости металлов?
4. Какие вещества называют полупроводниками?
5. Какие вещества относятся к электролитам?
6. В результате какого процесса газ становится электропроводным?
7. Чем обусловлено электрическое сопротивление металлов?
8. Что произойдет с сопротивлением, если температура проводника будет приближаться к абсолютному нулю?
9. Где применяют сверхпроводящие материалы?
ВНИМАНИЕ!!!
Уважаемые студенты, на вопросы необходимо ответить в рабочей тетради (сфотографировать) или в формате Документа Word. Отправлять для проверки в личные сообщения на страницу ВКонтакте: https://vk.com/: https://vk.com/id591468583.
Преподаватель: Потемкина Татьяна Пантелеймоновна.