§ 36. Электрический ток в металлах

Электрический ток могут проводить жидкости и твердые вещества, при определенных условиях электрический ток проводят и газы. Изучение электрического тока в разных средах мы начнем с изучения тока в металлах. Во-первых, все без исключения металлы хорошо проводят электрический ток, а во-вторых, именно с проводимостью металлов связано широкое применение электрической энергии в жизни человека.

Выясняем природу электрического тока в металлах

Из курса химии вы знаете, что валентные электроны в металлах легко покидают «свой» атом и становятся свободными, а в узлах кристаллической решетки остаются положительные ионы. При отсутствии электрического поля свободные электроны внутри металлического проводника движутся хаотично. Их движение напоминает движение молекул газа, поэтому свободные электроны в металлах называют электронным газом (рис. 36.1).

Если же в проводнике создано электрическое поле, то электроны, не прекращая хаотичного движения, начинают смещаться в сторону положительного полюса источника тока. Движение электронов становится направленным — в металле возникает электрический ток.

Электрический ток в металлах представляет собой направленное движение свободных электронов.

Природа тока в металлах экспериментально установлена известными учеными Леонидом Исааковичем Мандельштамом и Николаем Дмитриевичем Папалекси (1913 г.) во время работы в Страсбургском университете; методику опытов усовершенствовали американские физики Ричард Толмен и Томас Стюарт (1916 г.).

Ученые рассуждали примерно так. Если металлический провод привести в быстрое движение (рис. 36.2), а потом резко остановить, то свободные заряженные частицы в проводе будут двигаться по инерции (так в случае резкой остановки транспорта в нем продолжают движение незакрепленные предметы). В результате в проводе возникнет кратковременный ток — его зафиксирует гальванометр; по направлению отклонения стрелки гальванометра можно узнать знак заряда частиц, движение которых послужило причиной появления тока. Рассмотрите рис. 36.2. Определите направление движения электронов после остановки катушки и направление кратковременного тока, который при этом возникает.

Убеждаемся, что сопротивление металлов зависит от температуры

- Проведем опыт. Соединим стальную спираль с источником постоянного напряжения и будем подогревать ее в пламени спиртовки (рис. 36.3). Опыт покажет, что по мере нагревания спирали сила тока в ней уменьшается, а это значит, что сопротивление спирали возрастает. Проведя подобные опыты со спиралями, изготовленными из других металлов, увидим, что с увеличением температуры сопротивление всех спиралей увеличивается, но изменение сопротивления каждый раз будет иным.

Сопротивление металлического проводника увеличивается при повышении температуры и уменьшается при ее снижении. Изменение сопротивления зависит от материала, из которого изготовлен проводник.

Зная, как зависит сопротивление металлического проводника от температуры, можно, измерив сопротивление проводника, определить его температуру. Этот факт положен в основу работы термометров сопротивления. Датчик — чаще всего платиновый провод — размещают в среде, температуру которой нужно измерить. Сопротивление провода измеряется специальным прибором, и по этому сопротивлению определяют температуру среды. На практике шкалу прибора сразу градуируют в единицах температуры.

Знакомимся с явлением сверхпроводимости

В 1911 г. нидерландский ученый Г. Камерлинг-Оннес (рис. 36.4), исследуя, как ведет себя ртуть при температурах, близких к абсолютному нулю (-273 °С), заметил странное явление: при снижении температуры ртути до 4,15 К (-269 °С) ее удельное сопротивление скачком падало до нуля. Подобное происходило с оловом, свинцом и другими металлами. Это явление назвали сверхпроводимостью. Сверхпроводимость невозможно объяснить с точки зрения элементарной электронной проводимости металлов. В 1957 г. группа американских ученых (рис. 36.5) и независимо от них советский ученый Н. Н. Боголюбов (рис. 36.6) разработали квантовую теорию сверхпроводимости.

Подводим итоги

Электрический ток в металлах представляет собой направленное движение свободных электронов. При отсутствии электрического ПОЛЯ свободные электроны в металлах движутся хаотично. Если же в металлическом проводнике создать электрическое поле, то свободные электроны, не прекращая своего хаотичного движения, начинают двигаться направленно.

Сопротивление металлических проводников зависит от температуры. Этот факт положен в основу работы термометров сопротивления.

При снижении температуры некоторых металлов до температур, близких к абсолютному нулю (-273 °С), их сопротивление скачком падает до нуля. Это явление называют явлением сверхпроводимости.

Контрольные вопросы    —

1.    Опишите характер движения свободных электронов в металлах при отсутствии электрического поля; при наличии электрического поля.

2.    Что представляет собой электрический ток в металлах? 3. Опишите суть опыта по изучению природы электрического тока в металлах. 4. Зависит ли сопротивление металлов от температуры? Если зависит, то как?

5. В чем заключается явление сверхпроводимости?

Упражнение № 36    —-

1.    Электрон находится в электрическом поле, силовые линии которого изображены на рисунке. Как направлена сила, с которой поле действует на электрон?

2.    Какое утверждение из приведенных истинно?

а)    С увеличением температуры сопротивление металлов увеличивается.

б)    С увеличением температуры сопротивление металлов уменьшается.

в)    Направление электрического тока в металлическом проводнике совпадает с направлением движения электронов.

3.    Металлическая нить накала электрической лампы постепенно становится тоньше из-за испарения металла с ее поверхности и в конце концов перегорает. Объясните, почему нить перегорает в самом тонком месте и чаще всего в тот момент, когда лампу включают.

4.    В металлическом проводнике длиной 10 см и с площадью поперечного сечения 0,4 см² течет ток силой 80 А. Какова средняя скорость направленного движения электронов в проводнике, если в каждом кубическом сантиметре проводника 2,5 · 10²² свободных электронов?

5.    Определите значение и знак заряда полученного иона, если: а) нейтральный атом Купрума утратил два электрона; б) нейтральный атом Хлора присоединил один электрон.

Физика и техника в Украине

Лев Васильевич Шубников (1901-1937) — выдающийся физик-экспериментатор с мировым именем. Значительную часть своей недолгой жизни Л. В. Шубников жил и работал в Харькове, где возглавлял созданную им лабораторию низких температур при Харьковском физико-техническом институте. Лев Васильевич начал исследование металлов в так называемом сверхпроводящем состоянии, в котором электрическое сопротивление материала равно нулю. Важное значение имели также эксперименты по получению сжиженных газов, в частности водорода, азота и кислорода.

Высшая награда для ученого — это использование его фамилии в названии открытого им явления. «Эффект Шубникова — де Хааза», «фаза Шубникова», «метод Обреимова — Шубникова» — это лишь несколько примеров вклада выдающегося ученого в современную физику.

В 2001 г. в честь Л. В. Шубникова названа научная премия НАН Украины за выдающиеся научные работы в области экспериментальной физики.