§ 25. Залежність опору провідника від температури

Опір провідника, крім того, що він залежить від матеріалу, довжини і площі перерізу, залежить також від температури. Пояснюється це тим, що з підвищенням температури збільшується інтенсивність коливань атомів у вузлах кристалічної ґратки (такі коливання називаються тепловими) і електронам важче рухатися в провіднику (вони частіше натикатимуться на перешкоди і втрачатимуть більше енергії). Для більшості металевих провідників залежність опору від температури є лінійною і розраховується за формулою:

деR_q- опір при початковій температурі ,aR- опір при довільній температурі ґ°, а - термічний коефіцієнт опору провідника.

Визначимо а з формули (25.1):

Величина « показує, на яку частину початкового опору змінюється опір провідника при нагріванні його на один градус. Вимірюється а в K"¹. Якщо опір провідника зменшується при підвищенні температури, то коефіцієнт а від'ємний. Значення а для деяких провідників наведено в таблиці 25.1.

Таблиця 25.1

Термічний коефіцієнт електричного опору провідника.

Провідник		Провідник
Нікель		Золото
Залізо		Платина
Вольфрам		Ртуть
Мідь		Ніхром
Срібло		Манганін
Алюміній		Константан

ПРИКЛАД 25.1

Опір котушки, намотаної мідним провідником, при температурі 22°С дорівнює 10,6 Ом. Коли її опустили в рідкий азот, який знаходився у відкритому термосі, опір провідника зменшився до 0,7 Ом. Чому дорівнює температура азоту?

Розв'язання. Знайдемо спочатку з формули (25.2) різницю температур котушки в азоті і при кімнатній температурі:

пература рідкого азоту, а /₀ = 22°С - кімнатна температура. R₀ =10,6 Ом -початковий опір котушки, a R = 0,7 Ом - її опір після охолодження. Тоді після розрахунку t° - t_{) = -217°С, звідси t° = -195°С.

Відповідь. Температура рідкого азоту дорівнює -195°С.

Примітка. Цей приклад показує, як можна використовувати залежність опору провідника від температури для вимірювання температури. Термометри такого типу називають термометрами опору. Цікаво, що напівпровідникові матеріали, які застосовують для створення мікроелектронних пристроїв, зовсім по-іншому реагують на зміну температури. їхній опір зі зниженням температури не зменшується, а збільшується, причому дуже сильно. Якщо напівпровідниковий резистор із германію, опір якого при кімнатній температурі дорівнює 1 Ом, опустити в рідкий азот, то його опір зросте до 26 кОм, тобто в 26 000 разів. Термометри опору на основі напівпровідникових матеріалів мають дуже велику чутливість.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

25.1. ВИЗНАЧЕННЯ ТЕРМІЧНОГО КОЕФІЦІЄНТУ ОПОРУ МІДІ.

!.Помістіть резистор, описаний в лабораторній роботі № 4, у пробірку з-під таблеток, кінці провідників виведіть назовні і закрийте пробірку герметично кришкою (мал. 25.1).

2.    Виміряйте опір резистора R₀ при кімнатній температурі.

3.    Помістіть пробірку з резистором у невелику посудину з водою і повільно нагрійте воду до кипіння. Обережно перенесіть каструлю з водою на стіл і виміряйте опір резистора R^ при температурі /_|( = IOO⁰C

4.    Використовуючи формулу (25.2), обчисліть а.

5.    Проробіть такий самий дослід для графітового стержня довжиною 3-4 CM. Для цього на кінцях стержня закріпіть провід довжиною 20 CM.

6.    Результати дослідів запишіть у таблицю.

7.    Поясніть результат розрахунку а, отриманий для графіту.

ДОСЛІД 25.1

Визначте залежність опору розчину кухонної солі від відстані між електродами. В якості електродів можна використати щупи омметра. Дослідіть залежність опору електроліту від температури.

Явище надпровідності ІСТОРИЧНА ДОВІДКА

Голландський фізик І хімік Камелінг-Оннес працював професором експериментальної фізики і очолював фізичну лабораторію в Лейденському університеті. На думку Камерлінг-Оннеса, фізичні лабораторії повинні проводити дослідження, підкріплені дуже точними вимірюваннями - його лозунгом був вираз: «Через вимірювання до знань».

Для своєї лабораторії Камерлінг-Оннес вибрав тему дослідження низьких температур, бо вважав, що в таких екстремальних умовах вдасться відкрити нові ефекти - і він не помилився. Для досягнення низьких температур потрібно навчитися зріджувати гази. Для отримання зріджених газів, таких як кисень азот і водень Камерлінг-Оннес побудував цілий завод і до нього ще й училище, де готували механіків для створення насосів і склодувів для виробництва прозорих посудин, через стінки яких можна було спостерігати поведінку суперхолодних рідин. Згодом випускників цього училища стали запрошувати на роботу ведучі лабораторії світу.

Хоча рідкий водень вперше вдалося отримати в Англії, саме на заводі у Камерлінг-Оннеса навчилися добувати цю надзвичайно цінну для досліджень рідину у великій кількості.

У 1911 р. Камерлінг-Оннес отримав рідкий гелій, температура кипіння якого дорівнює 4,2 К, тобто майже -269°С. Він вирішив дослідити, як сильно знизиться опір металевих провідників при таких низьких температурах. Цілком несподівано виявилося, що опір деяких металів і сплавів не тільки зменшувався, а й зовсім зникав при певній температурі. Це явище назвали надпровідністю.

У наш час надпровідні кабелі використовують при побудові суперелектромагнітів. По

такому кабелю (мол. 25.2) можна пропускати дуже великі струми, причому сам провідник не нагрівається. Правда температура кабелю повинна підтримуватися при 1,8 К.

Пояснити явище надпровідності вдалося тільки через чотири десятиліття після його відкриття. Теорія надпровідності поглибила розуміння суті опору металевих провідників. Виявилося, що опір виникає завдяки взаємодії носіїв струму з дефектами (порушеннями регулярності) кристалічної ґратки й атомами домішок. Подібним чином руху транспорту на автомагістралі заважають вибоїни чи сторонні предмети.

ТВОРЧЕ ЗАВДАННЯ_

25.1.    Де на сьогодні використовуються надпровідні супермагніти? Чому надпровідні кабелі на колайдері підтримуються саме при температурі 1,8 К? Які перспективи використання високотемпературних надпровідників і з яких матеріалів їх виготовляють?

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ_

25.2.    Опишіть можливу конструкцію електричного термометра на основі мідного дроту. Виготовіть такий прилад.

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

Опір металічних провідників лінійно залежить від температури: R= R_i^l +а (і —1₀))Якщо початкова температура становить , то , де /^_n - температура при 0°С.

¹ Термічний коефіцієнт опору показує відносну зміну опору при нагріванні

Деякі матеріали повністю втрачають опір при низьких температурах - це явище називають надпровідністю.

ВПРАВА №25_

1.    Чому опір металів збільшується з підвищенням температури?

2.    Який фізичний зміст термічного коефіцієнта опору вольфраму, який дорівнює 0,005 K^-1?

3.    Про що свідчить від'ємний термічний коефіцієнт опору деякого матеріалу?

4.    Порівняйте числові значення термічних коефіцієнтів опору чистих металів і сплавів у таблиці24.1. Чим вони відрізняються?

5.    Чому дротяні реостати виготовляють з ніхрому? Вкажіть дві причини.

6.    Чому нитку розжарення лампи роблять із вольфраму, а не із заліза чи нікелю?

7.    До якої температури треба нагріти мідний провідник, який має температуру 0°С, щоб його опір збільшився удвічі? Чи вдасться це зробити?

8.    Вольфрамова спіраль розжарення електричної лампи при температурі 2800°С має опір 320 Ом. а) Знайдіть опір спіралі лампи при кімнатній температурі, б)* Який опір матиме ця спіраль при температурі киплячого азоту (-Ί 96°С)?

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка