Природа электрического сопротивления. Зависимость сопротивления от температуры

Электролиты

Свободными зарядами в электролитах являются положительные и отрицательные ионы. При повышении температуры увеличивается доля молекул, распавшихся на ионы, и поэтому увеличивается число ионов — носителей заряда. Поэтому сопротивление электролитов при повышении температуры уменьшается.

Металлы

Поначалу учёные считали, что электрическое сопротивление металлов обусловлено столкновениями свободных электронов с ионами кристаллической решётки. Однако расчёт удельного сопротивления металлов, выполненный в этом предположении, очень сильно противоречил опыту: измеренное на опыте сопротивление было в тысячи раз меньше расчётного.

Природу электрического сопротивления металлов учёные смогли понять в 20-м веке на основе квантовой теории. Исследования показали, что свободные электроны движутся сквозь кристаллическую решётку почти без столкновений, как бы плавно обтекая ионы в её узлах. Такое поведение электронов больше напоминает движение волн, чем движение частиц. Волновыми свойствами электронов объясняется и строение атома. Подробнее мы расскажем об этом в курсе физики 11-го класса.

Если бы кристаллическая решётка была идеально периодической, то электронная волна проходила бы сквозь кристалл, не отклоняясь от своего направления. А в таком случае электрическое сопротивление металла должно было бы равняться нулю¹.

¹ И действительно, на опыте обнаружено, что сопротивление некоторых металлов и сплавов при достаточно низкой температуре становится равным нулю. Это явление назвали сверхпроводимостью.

Однако на самом деле кристаллическая решётка не является идеально периодической. Периодичность нарушают примеси и дефекты решётки, а также отклонения ионов от своих равновесных положений вследствие тепловых колебаний. Именно из-за нарушений регулярности решётки электронная волна рассеивается. Это и является причиной электрического сопротивления металлов.

При нагревании усиливаются тепловые колебания ионов, что увеличивает отклонение кристаллической решётки от идеальной периодичности. Это объясняет, почему удельное сопротивление металлов при нагревании быстро увеличивается. Например, сопротивление нити накала электрической лампы накаливания в рабочем состоянии примерно в 10 раз больше, чем при комнатной температуре.

Удельное сопротивление чистых металлов прямо пропорционально абсолютной температуре.

3. На рисунке 57.3 изображены вольтамперные характеристики металлического провода и электролита. При увеличении напряжения температура проводников увеличивается. Каким цветом обозначена вольтамперная характеристика металлического провода, а каким — электролита?

Рис. 57.3