ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ

электронная теория проводимости металлов (П. Друде, 1900 г., Х.Лоренц, 1904

г.), которая дала простое и наглядное объяснение большинства электрических и тепловых свойств металлов.

Пауль Друде Карл Людвиг — немецкий физик

Хендрик Антон Лоренц- голландский физик

взаимодействуют.
Электроны взаимодействуют только с ионами кристаллической решётки, взаимодействие это сводится

к соударению.
В промежутках между соударениями электроны движутся свободно.
Электроны проводимости образуют «электронный газ», подобно идеальному газу. «Электронный газ» подчиняется законам идеального газа.
При любом соударении электрон передаёт всю накопленную энергию.

Классическая электронная теория Друде - Лоренца.

в создании тока. Их перемещение при прохождении тока означало бы

перенос вещества вдоль проводника, что не наблюдается. Например, в опытах Э. Рикке (1901 г.) масса и химический состав проводника не изменялся при прохождении тока в течении года.

принимают участия в переносе электрического заряда.
2) Носители заряда

- частицы, входящие в состав всех металлов

Опыт Рикке

1901 г.

решётки. При каждом соударении электрон передаёт свою кинетическую энергию.

было дано в опытах Л.И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси

(1913 г., результаты не были опубликованы), а также Т. Стюарта и Р. Толмена (1916 г.). Они обнаружили, что при резкой остановке быстро вращающейся катушки в проводнике катушки возникает электрический ток, создаваемый отрицательно заряженными частицами — электронами.

г.

заряженные частицы.

Отношение


=> Электрический ток в металлах обусловлен движением электронов

1916 г.

решётки. Свободные электроны движутся хаотично и при своём движении сталкиваются

с ионами кристаллической решётки

равновесия, и
2) свободных электронов, способных перемещаться по всему объему

проводника.
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.

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)

с изменением температуры. Для большинства металлов в интервале температур от

0 ° до 100 °С коэффициент α изменяется от 3,3⋅10–3 до 6,2⋅10–3 К–1 (таблица 1).
У химически чистых металлов


Существуют специальные сплавы, сопротивление которых практически не изменяется при нагревании, например, манганин и константан. Их температурные коэффициенты сопротивления очень малы и равны соответственно 1⋅10–5 К–1 и 5⋅10–5 К–1.

сопротивление, увеличивается сопротивление проводника и уменьшается эл.ток в цепи.






Сопротивление проводника

при изменении температуры можно рассчитать по формуле: R = Ro ( 1 + t )

где Ro - сопротивление проводника при 0 градусов Цельсия
t - температура проводника
- температурный коэффициент сопротивления

направленному движению зарядов.
Удельное сопротивление – это сопротивление цилиндрического проводника единичной

длины и единичной площади поперечного сечения.
Сверхпроводимость – физическое явление, заключающееся в скачкообразном падении сопротивления до нуля при некоторой критической температуре ( Т кр)

– удельное сопротивление,
- длина проводника,
S - площадь
поперечного сечения

= ( 1 + ∆Т)

- удельное сопротивление при t =200С;
- температурный коэффициент сопротивления = 1/ 273 0К-1
∆Т – изменение температуры

Т,К

0

металл

сверхпроводник

Ткр

293

скачком падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры

Тк, характерной для данного материала. С. обнаружена у более чем 25 металлических элементов, у большого числа сплавов и интерметаллических соединений, а также у некоторых полупроводников.

сначала
меняется постепенно, а затем
при температуре 4,2 К резко

падает до нуля.

«за исследования свойств вещества при низких температурах».

В дальнейшем было

выяснено, что более 25 химических элементов — металлов при очень низких температурах становятся сверхпроводниками. У каждого из них своя критическая температура перехода в состояние с нулевым сопротивлением. Самое низкое значение ее у вольфрама — 0,012 К, самое высокое у ниобия — 9 К.

Сверхпроводимость наблюдается не только у чистых металлов, но и у многих химических соединений и сплавов. При этом сами элементы, входящие в состав сверхпроводящего соединения, могут и не являться сверхпроводниками. Например, NiBi, Au2Bi, PdTe, PtSb и другие.

До 1986 г. были известны сверхпроводники, обладающие этим свойством при очень низких температурах — ниже –259 °С. В 1986-1987 годах были обнаружены материалы с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около –173 °С. Это явление получило название высокотемпературной сверхпроводимости, и для его наблюдения можно использовать вместо жидкого гелия жидкий азот.

Гинзбург, нобелевский лауреат за работы по сверхпроводимости

близких с T=0 К, наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления –

это явление называется сверхпроводимостью металлов.

Оно было обнаружено голландским физиком Х.Камерлингом – Онессом в 1911 году у ртути ( Ткр=4,2оК).

сплавов.
Сверхпроводящие свойства зависят от типа кристаллической структуры. Изменение её

может перевести вещество из обычного в сверхпроводящее состояние.
Критические температуры изотопов элементов, переходящих в сверхпроводящее состояние, связаны с массами изотопов соотношением:
Тэ(Мэ)1/2= const (изотопический эффект)
Сильное магнитное поле разрушает эффект сверхпроводимости. Следовательно, при помещении в магнитное поле свойство сверхпроводимости может исчезнуть.

сверхпроводящее состояние.
В нормальных металлах ток исчезает примерно через 10-12 с.

В сверхпроводнике ток, может циркулировать годами (теоретически 105 лет!).

помощью квантовых представлений
Они были представлены в 1957 году американскими учеными

Дж.Бардиным, Л.Купером, Дж.Шриффером и советским академиком Н.Н. Боголюбовым.
В 1986 году была открыта высокотемпературная сверхпроводимость соединений лантана, бария и др. элементов (Т= 1000К - это температура кипения жидкого азота).

из теории Друде известно, что проводимость металлов увеличивается с понижением температуры,

то есть электрическое сопротивление стремится к нулю.

открытый в 1933 году, т.е. полное вытеснение  магнитного поля из материала при

переходе в сверхпроводящее состояние. Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками Мейснером и Оксенфельдом

телом пророка Магомета висел в пространстве без всякой поддержки, поэтому этот опыт

называют экспериментом с «магометовым гробом».

Отталкиваясь от неподвижного сверхпроводника, магнит всплывает сам и продолжает парить до тех пор, пока внешние условия не выведут сверхпроводник из сверхпроводящей фазы. В результате этого эффекта магнит, приближающийся к сверхпроводнику, «увидит» магнит обратной полярности точно такого же размера, что и вызывает левитацию.

поле без затрат электроэнергии на длительном интервале времени, т.к. выделения

теплоты не происходит.

2.Сверхпроводящие магниты используются в ускорителях элементарных частиц, магнитогидродинамических игенераторах, преобразующих энергию струи раскаленного ионизированного газа, движущегося в магнитном поле, в электрическую энергию.

3.Высокотемпературная сверхпроводимость в недалеком будущем приведет к технической революции в радиоэлектронике, радиотехнике.

4. Если удастся создать сверхпроводники при комнатной температуре, то генераторы и электродвигатели станут исключительно компактны и передавать электроэнергию будет возможно на большие расстояния без потерь.