§ 36. Електричний струм у металах

Електричний струм можуть проводити рідини й тверді речовини, за певних умов електричний струм проводять і гази. Вивчання електричного струму в різних середовищах ми почнемо з вивчання струму в металах. По-перше, всі без винятку метали добре проводять електричний струм, а по-друге, саме з провідністю металів пов'язане широке застосування електричної енергії в житті людини.

З'ясовуємо природу електричного струму в металах

Рис. 36.1. Вільні електрони в металах за відсутності електричного поля рухаються хаотично

Рис. 36.2. Схема пристрою для вивчання природи електричного струму в металах: 7 — котушка з металевим дротом;

2 — ковзні контакти; 3 — чутливий гальванометр. Котушці надають швидкого обертання й різко зупиняють. У результаті в колі виникає електричний струм, який реєструється гальванометром

Ви знаєте, що валентні електрони в металах легко залишають свій атом і стають вільними. У результаті у вузлах кристалічної ґратки металу залишаються позитивні йони.

За відсутності електричного поля вільні електрони всередині металевого провідника рухаються хаотично. Рух електронів у металах нагадує рух молекул газу, саме тому вільні електрони в металах називають електронним газом(рис. 36.1). Якщо ж у провіднику створене електричне поле, то електрони, не припиняючи хаотичного руху, починають зміщуватись у бік позитивного полюса джерела струму. Рух електронів стає напрямленим — у металі утворюється електричний струм.

Електричний струм у металах являє собою напрямлений рух вільних електронів.

Природа струму в металах була експериментально встановлена відомими вченими Леонідом Ісааковичем Мандельштамом і Миколою Дмитровичем Папалексі (1913 р.) під час роботи в Страсбурзькому університеті; методику дослідів удосконалили американські фізики Річард Толмен і Томас Стюарт (1916 р.).

Учені розмірковували приблизно так. Якщо металевому дроту надати швидкого руху (рис. 36.2), а потім різко зупинити, то вільні заряджені частинки в дроті рухатимуться за інерцією (саме так у випадку різкої зупинки транспорту в ньому продовжують рух неза-кріплені предмети). У результаті в провіднику виникне короткочасний струм, який можна зафіксувати гальванометром. За напрямком відхилення стрілки гальванометра можна з’ясувати знак заряду частинок, рух яких спричинив появу струму, а за відношенням заряду частинок до їхньої маси можна встановити, які саме частинки створюють струм.

За рис. 36.2 визначте напрямок руху електронів після зупинки котушки і напрямок короткочасного електричного струму, який при цьому виникає.

Переконуємося, що опір металів залежить від температури

Проведемо дослід. З’єднаємо сталеву спіраль із джерелом струму й підігріватимемо її в полум’ї спиртівки (рис. 36.3). Напругу будемо підтримувати незмінною. Дослід демонструє: в міру нагрівання спіралі сила струму в ній зменшується, а це означає, що опір спіралі зростає. Якщо провести подібні досліди зі спіралями, виготовленими з інших речовин, можна переконатися, що зі збільшенням температури опір цих спіралей також збільшується, але зміна опору кожного разу буде іншою.

Опір металевого провідника збільшується в разі підвищення температури та зменшується в разі її зниження. Зміна опору залежить від матеріалу, з якого виготовлено провідник.

Знаючи, як залежить опір металевого провідника від температури, можна, вимірявши опір провідника, визначити його температуру. Цей факт покладено в основу роботи так званих термометрів опору. Датчик — найчастіше платиновий дріт — розміщують у середовищі, температуру якого необхідно виміряти. Опір дроту вимірюється спеціальним приладом, і за відомим опором визначають температуру середовища. На практиці шкалу приладу відразу градуюють в одиницях температури.

Знайомимося з явищем надпровідності

У 1911 р. нідерландський учений Г. Камерлінг-Оннес (рис. 36.4), досліджуючи, як поводиться ртуть за температур, близьких до абсолютного нуля (-273 °С), помітив дивне явище: в разі зниження температури ртуті до 4,15 K (-269 °С) її питомий опір стрибком падає до нуля. Подібне відбувалося з оловом, свинцем та іншими металами. Це явище назвали надпровідністю. Надпровідність неможливо пояснити з погляду електронної провідності металів. У 1957 р. група американських учених (рис. 36.5) і незалежно від них радянський учений М. M. Боголюбов (рис. 36.6) розробили квантову теорію надпровідності.

Рис. 36.3. Дослід, що демонструє залежність опору металів від температури. У процесі нагрівання спіралі сила струму в ній зменшується, отже, опір спіралі зростає

Рис. 36.4. Гейке Камерлінг-Оннес (1853-1926) — нідерландський фізик, лауреат Нобелівської премії (1913 р.). Відкрив явище надпровідності металів

Підбиваємо підсумки

Електричний струм у металах являє собою напрямлений рух вільних електронів.

За відсутності електричного поля вільні електрони в металах рухаються хаотично. Якщо ж у металевому провіднику створити електричне поле, то вільні електрони, не припиняючи свого хаотичного руху, починають рухатися напрямлено.

Опір металевих провідників залежить від температури. Цей факт покладено в основу роботи термометрів опору.

У разі зменшення температури деяких металів до температур, близьких до абсолютного нуля (-273 °С), їхній опір стрибком падає до нуля. Це явище називають надпровідністю.

Контрольні запитання

Ί. Опишіть характер руху вільних електронів у металах за відсутності електричного поля; за наявності електричного поля. 2. Що являє собою електричний струм у металах? 3. Опишіть суть досліду з виявлення природи електричного струму в металах. 4. У чому полягає причина опору металів? 5. Чи залежить опір металів від температури? Якщо залежить, то як? 6. У чому полягає явище надпровідності?

Вправа № 36

Рис. 36.5. Джон Бардін (1908-1991),    Рис. 36.6. Боголюбов Микола Миколайо-

Леон Купер (народ. 1930 р.), Джон Роберт вич (1909-1992) — видатний фізик-теоре-Шриффер (народ. 1931 р.) — лауреати    тик і математик. У 1929-1973 рр. працю-

Нобелівської премії з фізики (1972 р.)    вав в Академії наук України. Засновник

за розробку квантової теорії    наукових шкіл у галузі нелінійної механіки,

надпровідності    статистичної фізики і квантової теорії поля

1.    Електрон міститься в електричному полі, силові лінії якого зображено на рисунку. У якому напрямку рухається електрон?

2.    Яке твердження з наведених є істинним?

1)    Зі збільшенням температури опір металів збільшується, оскільки зменшується кількість вільних електронів.

2)    Зі збільшенням температури опір металів зменшується, оскільки збільшується кількість вільних електронів.

3)    Зі збільшенням температури опір металів збільшується, оскільки збільшується кількість зіткнень з йонами кристалічної гратки.

3.    Металевий волосок розжарювання електричної лампи поступово тоншає через випаровування металу з його поверхні; врешті-решт у найтоншому місці волосок перегоряє. Поясніть, чому лампа перегоряє найчастіше саме в той момент, коли її вмикають.

4.    Визначте значення і знак заряду отриманого йона, якщо: а) нейтральний атом міді втратив два електрони; б) нейтральний атом хлору приєднав один електрон.

Фізика і техніка в Україні

Лев Васильович Шубников (1901-1937) — видатний фізик-експериментатор зі світовим ім'ям. Значну частину свого короткого життя Л. В. Шубников мешкав у Харкові, де очолював створену ним лабораторію низьких температур при Харківському фізико-технічному інституті. Лев Васильович започаткував дослідження металів у так званому надпровідному стані, коли електричний опір матеріалу дорівнює нулю. Також важливе значення мали експерименти з отримання зріджених газів, зокрема водню, азоту та кисню.

Найвища нагорода для вченого — це використання його прізвища для назви відкритого ним явища. «Ефект Шубникова — де Гааза», «фаза Шубникова», «метод Обреїмова—Шубникова» — це лише декілька прикладів внеску видатного вченого в сучасну фізику.

У 2001 р. на честь Л. В. Шубникова названо наукову премію HAH України за видатні наукові роботи в галузі експериментальної фізики.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бар'яхтар