Природа электрического тока в металлах. Сверхпроводимость

Металлы – хорошие проводники электрического тока. Проводимость в металлах обусловлена наличием в них свободных электронов, которые сравнительно легко отрываются от атомов. Образуя положительный ион и свободный электрон.

В отсутствие электрического поля электроны движутся беспорядочно, участвуя в тепловом (хаотическом) движении.

Под действием электрического поля электроны начинают упорядоченно перемещаться между ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки, со средней скоростью порядка 10^-4 м/с, образуя электрический ток.

Экспериментальное доказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов , было дано в опытах Л.И. Мандельштама и Н.Д. Папалекси в 1912г (результаты не были опубликованы), а также Т. Стюарта и Р. Толмена в 1916 г.

Идея опытов : если резко тормозить движущийся кусок металла, то находящиеся в нем свободные заряды, двигаясь по инерции, будут скапливаться у переднего его конца, и между концами проводника возникает разность потенциалов.

Опыт Мандельштама и Папалекси

Катушка, соединенная с телефоном, приводилась в колебательное движение вокруг своей оси. Благодаря инерции свободный зарядов на концах катушки возникала переменная разность потенциалов, и телефон издавал звук.

Это были лишь качественные опыты. Никакие измерения и количественные расчеты в этих опытах не были произведены.

Опыт Стюарта и Толмена

Катушка большого диаметра с намотанным на ней металлическим проводом приводилась в быстрое вращение и затем резко тормозилась. При торможении катушки свободные заряды в проводнике продолжали некоторое время двигаться по инерции. Вследствие движения зарядов относительно проводника в катушке возникал кратковременный электрический ток, который регистрировался гальванометром присоединённым к концам проводника с помощью скользящих контактов.

Направление тока свидетельствовало о том, что он обусловлен движением отрицательно заряженных частиц.

Измеряя заряд, проходящий через гальванометр за все время существования тока в цепи, удалось определить отношение q₀/m. Оно оказалось равным 1,8*1011Кл/кг. Это значение совпадает со значением аналогичного отношения для электрона, найденным из других опытов.

Таким образом было экспериментально установлено, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.

Зависимость сопротивления проводника R от температуры:

При нагревании размеры проводника меняются мало, а в основном меняется удельное сопротивление.
Удельное сопротивление проводника зависит от температуры:

где ро - удельное сопротивление при 0 градусов, t - температура, - температурный коэффициент сопротивления ( т.е. относительное изменение удельного сопротивления проводника при нагревании его на один градус)

Для металлов и сплавов
Обычно для чистых металлов принимается

Таким образом, для металлических проводников с ростом температуры
увеличивается удельное сопротивление, увеличивается сопротивление проводника и уменьшается эл.ток в цепи.

Явление сверхпроводимости

Низкотемпературная сверхпроводимость:
наблюдается при сверхнизких температурах (ниже 25 К) во многих металлах и сплавах; при таких температурах удельное сопротивление этих веществ становится ничтожно малым.

В 1986 г. открыта (для металлокерамики) высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).

Трудность достижения сверхпроводимости:
- необходимость сильного охлаждения вещества

Область применения:
- получение сильных магнитных полей;
- мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в ускорителях и генераторах.

2. Строение газообразных, жидких и твёрдых тел

Газы

Расстояние между атомами или молекулами в газах во много раз превышает размеры самих молекул. На них действуют слабые силы притяжения.

Молекулы газов с огромными скоростями (сотни метров в секунду) движутся в пространстве. Слабые силы притяжения не способны удержать их друг возле друга.

Сталкиваясь друг с другом, они непрерывно изменяют направление своего движения и разлетаются в разные стороны.

Средняя кинетическая энергия молекулы газа больше среднего значения её потенциальной энергии.

Свойства

1. Газы легко расширяются

2. Газы легко сжимаются

3. Газы не сохраняют форму

4. Газы не сохраняют объем

Жидкости

Расстояние между молекулами жидкости 2-3 диаметра молекулы. Молекулы жидкости расположены почти вплотную друг к другу. На них действуют сильные силы притяжения.

Зажатая в клетке другими молекулами, она колеблется около положения равновесия, сталкиваясь с соседними молекулами. Лишь время от времени молекула жидкости перескакивает в новое положение равновесия. Время оседлой жизни молекулы жидкости в среднем 10^-11с.

Свойства

1. Жидкости практически несжимаемы

2. Жидкости текучи

3. Жидкости не сохраняют форму

4. Жидкости сохраняют объем

Средняя кинетическая энергия молекулы жидкости незначительно меньше абсолютного значения средней потенциальной энергии.

Твердые тела

Расстояние между молекулами твердых тел 2-3 диаметра молекул. Молекулы твердых тел расположены почти вплотную друг к другу. На них действуют сильные силы притяжения.

Молекулы твердых тел колеблются около положения равновесия, крайне редко совершая перескоки к своим соседям.

Свойства

1. Твердые тела сохраняют форму

2. Твердые тела сохраняют объем

3. Если соединить центры положений равновесия атомов или молекул твердого тела, то получится правильная пространственная решетка, называемая кристаллической.

Средняя кинетическая энергия молекул твердых тел значительно меньше абсолютного значения средней потенциальной энергии.

Часть 2. Выполните практическое задание.

1. Задача на применение второго закона Ньютона.

На рисунке дан график зависимости проекции скорости от времени тела массой 2 кг. Найти проекцию силы, действующей на тело на каждом этапе движения.

ν м/с

1 2 3 4

Дано

m =2кг

a₁ =10 м/с²

a₂ = 0 м/с²

a₃ = -5 м/с²

Найти

F_1x, F_2x, F_3x - ?

Решение

F_1x=m*a_1x=2*10=20 H

F_2x=m*a_2x=2*0= 0 H

F_3x=m*a_3x=2*5=10 H