Ток в металлах

Электронная проводимость металлов.

Носителями свободных  зарядов в металлах являются электроны.Их концентрация велика-порядка 10*28 м–3. Эти электроны называются электронами проводимости. Они образуются путем отрыва от атомов металлов их валентных электронов. Такие электроны не принадлежат какому-то определенному атому и способны перемещаться по всему объему тела.

В металле в отсутствие электрического поля электроны проводимости хаотически движутся и сталкиваются, чаще всего с ионами кристаллической  решетки . Совокупность этих электронов можно приближенно рассматривать  как некий электронный газ, подчиняющийся  законам идеального газа. Средняя  скорость теплового движения электронов при комнатной температуре составляет примерно 105 м/с.

Электрический ток  в металлах

Экспериментальное доказательство того, что ток в  металлах создается свободными электронами, было дано в опытах Л.И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (1912 г., результаты не были опубликованы), а также Т. Стюарта  и Р. Толмена (1916 г).Схема этих опытов такова.На катушку наматывают проволоку,концы  которой припаивают к двум металлическим  дискам,изолированным друг от друга.К  концам дисков при помощи скользящих контактов подключают гальванометр.Катушку  приводят в быстрое вращение,а  затем резко останавливают.После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции. Следовательно, электрический ток в металлах — это направленное движением свободных электронов.

Так как электрический  ток в металлах образуют свободные  электроны, то проводимость металлических  проводников называется электронной  проводимостью.

Электроны под влиянием силы,действующей на них со стороны  электрического поля,приобретают определнную  скорость упорядоченного движения.Эта  скорость не увеличивается в дальнейшем со временем,так как сталкиваясь  с ионами кристаллической решетки,электроны  теряют направленное движение,а затем  опять  под действием электрического поля начинают двигаться направленно.В  результае средняя скорость упорядоченного движения электронов оказывается пропорциональной напряженности электрического поля в проводнике.

Если пропустить ток от аккумулятора через стальную спираль, а затем начать нагревать  ее в пламени горелки, то амперметр  покажет уменьшение силы тока. Это  означает, что с изменением температуры  сопротивление проводника меняется.

   Если при  температуре, равной 0°С, сопротивление  проводника равно R0, а при температуре  t оно равно R, то относительное  изменение сопротивления, как  показывает опыт, прямо пропорционально  изменению температуры t: 
 

Коэффициент пропорциональности α называют температурным коэффициентом  сопротивления. Он характеризует зависимость  сопротивления вещества от температуры. Температурный коэффициент сопротивления  численно равен относительному изменению  сопротивления проводника при нагревании на 1 К. Для всех металлических проводников  коэффициент α > 0 и незначительно меняется с изменением температуры. Если интервал изменения температуры невелик, то температурный коэффициент можно считать постоянным и равным его среднему значению на этом интервале температур. У чистых металлов α ≈ 1/273 K-1. У растворов электролитов сопротивление с ростом температуры не увеличивается, а уменьшается. Для них α < 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α ≈ -0,02 K-1.

   При нагревании  проводника его геометрические  размеры меняются незначительно.  Сопротивление проводника меняется  в основном за счет изменения  его удельного сопротивления.  Можно найти зависимость этого  удельного сопротивления от температуры 
 

Так как α мало меняется при изменении температуры  проводника, то можно считать, что  удельное сопротивление проводника линейно зависит от температуры

Увеличение сопротивления  можно объяснить тем, что при  повышении температуры увеличивается  амплитуда колебаний ионов в  узлах кристаллической решетки, поэтому свободные электроны  сталкиваются с ними чаще, теряя  при этом направленность движения. Хотя коэффициент α довольно мал, учет зависимости сопротивления  от температуры при расчете нагревательных приборов совершенно необходим. Так, сопротивление  вольфрамовой нити лампы накаливания  увеличивается при прохождении  по ней тока более чем в 10 раз.  У некоторых сплавов, например у  сплава меди с никелем (константан), температурный коэффициент сопротивления  очень мал: α ≈ 10-5 K-1; удельное сопротивление  константана велико: ρ ≈ 10-6 Ом•м. Такие сплавы используют для изготовления эталонных сопротивлений и добавочных сопротивлений к измерительным  приборам, т. е. в тех случаях, когда  требуется, чтобы сопротивление  заметно не менялось при колебаниях температуры.

  Зависимость  сопротивления металлов от температуры  используют в термометрах сопротивления.  Обычно в качестве основного  рабочего элемента такого термометра  берут платиновую проволоку, зависимость  сопротивления которой от температуры  хорошо известна. Об изменениях  температуры судят по изменению  сопротивления проволоки, которое  можно измерить.

  Такие термометры  позволяют измерять очень низкие  и очень высокие температуры,  когда обычные жидкостные термометры  непригодны. Удельное сопротивление  металлов растет линейно с  увеличением температуры. У растворов  электролитов оно уменьшается  при увеличении температуры. 

  Сопротивление  проводников зависит от температуры.  Сопротивление металлов уменьшается  с уменьшением температуры. В  1911 г. голландский физик X. Камерлинг-Оннес  открыл замечательное явление  - сверхпроводимость. Он обнаружил,  что при охлаждении ртути в  жидком гелии ее сопротивление  сначала меняется постепенно, а  затем при температуре 4,1 К  очень резко падает до нуля (рис.16.3). Температура, при которой  вещество переходит в сверхпроводящее  состояние, называется критической  температурой. Это явление было  названо сверхпроводимостью. Позже  было открыто много других  сверхпроводников. Сверхпроводимость  многих металлов и сплавов  наблюдается при очень низких  температурах - начиная примерно  с 25 К. Сверхпроводники находят широкое применение. Так, сооружают мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой, которые создают магнитное поле на протяжении длительных интервалов времени без затрат энергии. Ведь выделения тепла в сверхпроводящей обмотке не происходит.

   Однако получить  сколь угодно сильное магнитное  поле с помощью сверхпроводящего  магнита нельзя. Очень сильное  магнитное поле разрушает сверхпроводящее  состояние. Такое поле может  быть создано и током в самом  сверхпроводнике. Поэтому для  каждого проводника в сверхпроводящем  состоянии существует критическое  значение силы тока, превзойти  которое, не нарушая сверхпроводящего  состояния, нельзя.

   Сверхпроводящие  магниты используются в ускорителях  элементарных частиц, магнитогидродинамических  генераторах, преобразующих механическую  энергию струи раскаленного ионизованного  газа, движущегося в магнитном  поле, в электрическую энергию.

   Если бы  удалось создать сверхпроводящие  материалы при температурах, близких  к комнатным, то была бы решена  важнейшая техническая проблема - передача энергии по проводам  без потерь. В настоящее время  физики работают над ее решением.  Многие металлы и сплавы при температурах ниже 25 К полностью теряют сопротивление - становятся сверхпроводниками.