Электрический ток в металлах. Зависимость сопротивления металлов от температуры. Сверхпроводимость

Тема: Электрический ток в металлах. Зависимость сопротивления металлов от температуры. Сверхпроводимость

Цель урока: формирование знаний о природе электрического тока в металлах, понятия температурного коэффициента сопротивления, умений определять сопротивление металлического проводника при различных температурах, представлений о явлении сверхпроводимости, о практическом использовании проводимости металлов.

Актуализация опорных знаний

Новый материал

В начале XX века была создана классическая электронная теория проводимости металлов, которая дала простое объяснение большинства электрических и тепловых свойств металлов.

Некоторые положения электронной теории:

• Металлический проводник состоит из:

  • Положительно заряженных ионов, колеблющихся около положения равновесия

  • Свободных электронов, способных перемещаться по всему объему проводника

• Концентрация свободных электронов

• Средняя скорость теплового движения электронов при составляет примерно

В металлах имеется большое количество свободных электронов , способных перемещаться по всему объему проводника. Они получили название электронов проводимости.

Поскольку суммарный объемный заряд металла равен нулю, то можно сделать вывод, что в металле имеются и положительные заряды, не принимающие участия в образовании тока. Положительными зарядами обладают ионы кристаллической решетки металла.

В отсутствие внешнего электрического поля электроны совершают беспорядочное тепловое движение, подобно атомам газа (или частицам, совершающим броуновское движение). Это дало возможность описывать движение электронов внутри металла с помощью модели электронного газа. Средняя скорость теплового движения электронов при комнатной температуре составляет примерно . В отсутствие внешнего поля суммарный заряд, переносимый электронами в любом направлении внутри проводника, равен нулю, так как все направления их движения равноправны.

При наличии внешнего электрического поля движение электронов представляет собой сумму беспорядочного теплового движения и упорядоченного движения под действием поля. Причем скорость упорядоченного движения составляет величину порядка . Это движение представляет собой электрический ток в металлах.

Следует отметить, что скорость распространения тока и скорость упорядоченного переноса носителей тока — не одно и то же. Скорость распространения тока равна скорости распространения электрического поля в пространстве (скорости света в вакууме) — .

Электрическое сопротивление металлов обусловлено тем, что в промежутках между соударениями электроны под действием поля движутся с ускорением и приобретают кинетическую энергию, которая частично или полностью при соударениях передается ионам и превращается в энергию колебаний ионов, т. е. в конечном счете в тепло. Поэтому при прохождении тока металлы нагреваются. Если температура вещества повышается, то ионы, образующие кристаллическую решетку, начинают совершать колебания с большей амплитудой вблизи положений равновесия. Это приводит к тому, что они сильнее рассеивают поток упорядоченно движущихся электронов, т. е. возрастает сопротивление их движению. С точки зрения физики макромира это приводит к росту сопротивления проводника с увеличением температуры.

Каждое вещество характеризуется температурным коэффициентом сопротивления, который равен относительному изменению удельного сопротивления проводника при его нагревании на :

где — удельное сопротивление при , — удельное сопротивление при температуре (в градусах Цельсия),

Зависимость удельного сопротивления металлического проводника от изменения температуры выражается линейной функцией:

Если пренебречь изменением размеров металлического проводника при нагревании, то такую же линейную зависимость от температуры будет иметь и его сопротивление:

Для большинства металлов в интервале температур от до а изменяется в пределах от до . Подчеркнем, что температурные коэффициенты сопротивления химически чистых металлов близки к

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

Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры приводит к тому, что их вольт- амперные характеристики становятся нелинейными.

При температурах, близких к (абсолютный нуль), наблюдается явление сверхпроводимости, открытое голландским физиком Камерлинг - Оннесом в 1911 г. Оно заключается в том, что при температуре ниже некоторой критической , называемой температурой перехода в сверхпроводящее состояние, удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля.

До 1986 г. были известны сверхпроводники, обладающие этим свойством при очень низких температурах ‒ ниже . В 1986 - 1987 гг. были обнаружены материалы с температурой перехода в сверхпроводящее состояние порядка — лантановые и иттриевые керамики (см. таблицу). Это явление получило название высокотемпературной сверхпроводимости (от до ), поскольку для его наблюдения можно использовать жидкий азот .

Согласно современным представлениям, сверхпроводимость — микроскопический квантовый эффект, и объяснить это явление в рамках классической физики невозможно.

Сверхпроводимость исчезает в сильном магнитном поле, поскольку ток является источником магнитного поля, и при прохождении сильного тока сверхпроводник может при некотором критическом значении тока перейти в нормальное состояние.

Закрепление изученного

1. Почему удельное сопротивление металлического проводника зависит от температуры?

2. Каков характер зависимости сопротивления металлического проводника от температуры?

3. Что называется температурным коэффициентом сопротивления?

4. В чем заключается явление сверхпроводимости? В чем состоят главные технические трудности использования сверхпроводников на практике?

Домашнее задание § 24, задачи №№ 803 ‒ 811 нечетные (сборник Громыко)