§ 3. Электрический ток в металлах (окончание)

Сверхпроводимость

5. Из графика (см. рис. 9) видно, что сопротивление проводника уменьшается при понижении температуры и должно было бы обратиться в нуль при температуре, равной абсолютному нулю. Долгое время экспериментально проверить данную зависимость не удавалось, поскольку невозможно было получить столь низкие температуры.

Лишь в 1911г. голландский учёный Гейке Камерлинг-Оннес (1853—1926), исследуя сопротивление ртути при её охлаждении, обнаружил, что при температуре 4,12 К удельное сопротивление ртути скачком падало до нуля (рис. 10). Подобное явление было обнаружено и для других металлов: их сопротивление при характерной для каждого металла температуре, близкой к абсолютному нулю, падало до нуля. Такую температуру называют критической.

Рис. 10

Свойство проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже критической температуры, называют сверхпроводимостью.

В последние годы XX в. у ряда веществ обнаружена сверхпроводимость при сравнительно высоких температурах. Так, у некоторых материалов, например у керамики на основе иттрия, сверхпроводимость начинается при температурах порядка 100 К.

Поскольку сопротивление сверхпроводников при определённой температуре равно нулю, то при прохождении по ним электрического тока отсутствуют потери энергии на их нагревание. Это определяет широкое применение сверхпроводников: из них изготавливают обмотки мощных электромагнитов для генераторов, ускорителей элементарных частиц, трансформаторов и др.

Вопросы для самопроверки

1. Результаты какого опыта доказывают, что электрический ток в металлах обусловлен движением электронов?

2. Дайте определение силы тока.

3. Что представляет собой вольт-амперная характеристика металлического проводника?

4. Как и почему сопротивление металлического проводника зависит от температуры?

5. В чём заключается явление сверхпроводимости? Когда и кем оно было открыто?

Упражнение 3

1_Д. Подготовьте сообщение об опыте Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси, используя интернет-ресурсы и другие источники информации. Оцените роль этого опыта в становлении электронной теории проводимости металлов.

2. Для доказательства электронной природы тока в металлах Рикке проделал опыт. Он использовал три хорошо отшлифованных цилиндра, из которых один был алюминиевый, а два других — медные (рис. 11), плотно притирал их друг к другу и пропускал по ним в течение года электрический ток. За этот период через цилиндры прошёл электрический заряд 3,5 • 10⁶ Кл. Измерив через год массу каждого цилиндра, Рикке обнаружил, что она не изменилась. Следовательно, электрический заряд переносится электронами. Определите, как изменилась бы масса алюминиевого и одного из медных цилиндров, если бы электрический ток в металле представлял собой движение ионов. Масса атома меди 1,05 • 10^-25 кг, масса атома алюминия 0,45 • 10^-25 кг. При образовании кристаллов каждый атом меди теряет один электрон, а каждый атом алюминия — два электрона.

Рис. 11

3. Составьте таблицу веществ, обладающих сверхпроводимостью. Укажите название вещества и температуру, при которой оно становится сверхпроводником.

4_Д. Подготовьте сообщение о перспективных направлениях применения сверхпроводимости, используя интернет-ресурсы и другие источники информации.

5*. Вычислите среднюю скорость упорядоченного движения электронов в медном проводнике, площадь поперечного сечения которого 10^-3 м². Сила тока в проводнике 10 А, концентрация электронов 9 • 10²⁸ м^-3. Какое время понадобится электронам, чтобы пролететь от одного конца проводника до другого, если его длина составляет 10 м?

6*. Электрическую плитку мощностью 1 кВт включают в сеть напряжением 220 В. При работе плитки температура её спирали составляет 523 °С. Чему равно сопротивление плитки в нерабочем состоянии? Температурный коэффициент сопротивления металла, из которого изготовлена спираль плитки, 2 • 10^-4 К^-1.

Ответы

2. 2,3 кг; 1,5 кг.

5*. 7 • 10^-7 м/с; 1,4 • 10⁷ с.

6*. 42 Ом.

Вопросы для дискуссии

Первые эксперименты, доказывающие электронную природу электропроводности металлов, были выполнены в 1912 г., хотя электрон был открыт в 1897 г. Как вы думаете, почему между этими открытиями прошёл сравнительно большой промежуток времени?

<<< К началу