Электрический ток
Откуда и при каких условиях возникает электрический ток
Электрическая энергия с каждым днем все больше и больше проникает во все сферы нашей жизни, потихоньку вытесняя другие виды энергии. Электрический ток можно передавать на любые расстояния и в любых объемах. Электрический ток может применяться во многих областях нашей жизни, и перечислить их все просто не возможно.
А вот что же такое есть, этот электрический ток? Если натирать шелком янтарь, смолу, каучук и другие вещества, то в них начинает образовываться электрический заряд, причем в некоторых веществах электрический заряд положительный, а в других веществах электрический заряд может быть отрицательным. Вокруг электрического заряда образуется электрическое поле, и из-за этого электрического поля заряженные тела взаимодействуют между собой. Тела, имеющие заряд одного и того же знака отталкиваются (плюс всегда отталкивается от плюса, а минус всегда отталкивается от минуса). А если заряд тел имеет разные знаки, то эти тела притягиваются (плюс и минус притягиваются друг к другу).
В металлическом проводнике переносят электрический заряд электроны, которые оторвались от своих атомов. Эти электроны перемещаются между атомами свободно, и их так и называют — свободные электроны .
А что будет, если проводник поместить в электрическое поле?
Тогда движение электронов из хаотического состояния превратится в направленное. Такое направленное движение заряженных частиц и называют электрическим током . В процессе перемещения зарядов по проводнику электрическое поле исчезает. Для того, чтобы электрическое поле не исчезало, необходим источник тока. Он будет поддерживать это электрическое поле в проводнике. Источником тока может быть динамо-машина и генератор, гальванические элементы в батарейках и аккумуляторах.
Источники тока
Все источники электрического тока не имеют в себе заряда электрического тока, однако все они преобразуют в электрический ток другие виды энергии. В народном хозяйстве для производства электрического тока в основном применяются генераторы, они преобразуют в электрический ток механическую энергию.
Батарейки
Кроме механической энергии для производства электрического тока очень часто используется химическая энергия. Например, если в серную кислоту опустить медный и цинковый электроды, то из-за химической реакции начинает образовываться электрический ток. Если мы к концам этих электродов подключим лампочку или электромоторчик, то мы увидим, что лампочка загорелась, а электромоточик начал крутиться. Из-за того, что цинк начинает взаимодействовать с серной кислотой, происходит разделение заряженных частиц, и цинковая пластинка начинает заряжаться отрицательными зарядами, а медная пластинка начинает заряжаться положительными зарядами. Во время растворения цинка в кислоте образуется электрический ток, и по внешней цепи через лампочку или электромоторчик свободные электроны движутся от цинковой пластинки к медной пластинке.
Вместо медной пластинки можно использовать угольный элемент. В качестве электролита берется нашатырь, который замешивают на клейстере, а отрицательным электродом служит цинковая оболочка, и если к такой конструкции подключить приемник электрического тока (лампочку или электромотрчик), то химическая энергия начнет превращаться в электрическую.
В процессе работы таких гальванических элементов электроды разрушаются, а химический состав раствора изменяет свои свойства и характеристики. И тогда использованную батарейку надо поменять на новую батарейку. Эти разрушающие и изменяющие процессы необратимы.
Аккумуляторы
Источники электрического тока с обратимыми химическими процессами — это щелочные, кислотные и литиевые аккумуляторы.
Простой кислотный аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин, погруженных в серную кислоту, но этого пока еще недостаточно для того, чтобы аккумулятор был источником тока. Для того, чтобы аккумулятор зарядился, его надо подключить к другому источнику электрического тока. После зарядки аккумулятор уже сам является источником электрического тока, и к нему можно подключить какую-нибудь нагрузку (лампочку или электрический моторчик). И пока лампочка горит (пока электромоторчик крутится) аккумулятор разряжается и постепенно возвращается в свое первоначальное состояние, после чего аккумулятору снова требуется подзарядка.
Термоэлектрический ток
Проведем такой эксперимент: спаяем два металлических стержня, один из висмута, второй из меди. Место спайки нагреем на открытом огне. При этом в цепи будет образовываться электрический ток за счет преобразования тепловой энергии в электрическую. Такую спайку называют термоэлементом , а возникающий в ней электрический ток называют термоэлектрическим .
Такими термоэлементами комплектуются термоэлектрические батареи для экспедиций и зимовок.
Световая энергия
Электрический ток можно преобразовывать из световой энергии. Для этого применяется устройство, которое называется фотоэлемент. В состав фотоэлемента входит селен, цезий, сурьма, кремний и другие химические элементы. При помощи фотоэлементов в старых кинолентах воспроизводили звук, записанный на кинопленку. При помощи фотоэлементов измеряют уровень освещенности рабочих мест на производстве, для фото и киносъемки, в автоматике, на космических кораблях и станциях.
Электрический ток в металлах и электролитах
В металлических материалах электрический заряд переносят свободные электроны. При отсутствии тока в цепи свободные электроны хаотически движутся между положительно заряженными ионами кристаллической решетки. Сумма отрицательных зарядов всех свободных электронов равна сумме положительных зарядов ионной кристаллической решетки. А значит, металл электрически нейтрален, и в цепи отсутствует электрический ток. Но если же в проводнике будет создано электрическое поле, то все свободные электроны начинают двигаться в определенном направлении, и в цепи появляется электрический ток.
В электролитах, щелочах и кислотах ток возникает несколько по-иному. В дистилированной воде отсутствуют электрические частицы, которые переносят электрические заряды, а значит, дистилированная вода — изолятор. Но если добавить в эту воду кислоту, щелочь или соль (к примеру, раствор медного купороса), то в цепи сразу появляется носитель электрических зарядов, то есть возникает электрический ток.
Итак, что же такое носители электрических зарядов?
Молекулы солей, щелочей, кислот являются электрически нейтральными. В воде эти молекулы распадаются на ионы с противоположными и равными по величине зарядами:
- положительные заряды, которые теряют свой электрон
- отрицательные заряды, у которых есть лишний электрон.
Электролит — это проводник. Под действием электрического поля ионы начинают направленное движение. Положительные ионы двигаются к катоду. Здесь они получают свободные электроны и становятся нейтральными атомами. Отрицательные ионы двигаются по направлению к аноду. Отдав свой электрон, отрицательный электрон становится нейтральным атомом и оседает на электроде. Электрический ток в электролите — это направленное движение ионов.
Электрический ток может быть как слабым, так и сильным. При слабом токе по цепи за определенное количество времени протекает малое количество электронов. При сильном токе по цепи за единицу времени протекает большее количество электронов. Величину электрического заряда также называют количеством электричества . А сила тока — это количество электричества, которое проходит через поперечное сечение проводника в течение одной секунды. В любой электрической цепи, если она замкнута, электрический ток совершает какую-либо работу. Ток нагревает проводники, лампочка светится, заряжается аккумулятор, вращается электродвигатель (электромоточик).
Действие количества работы электрического тока можно понять на следующем примере: две лампочки подключены к разным источникам тока — одна лампочка подключена к батарейке, а другая к городской сети. Амперметр показывает, что ток в обеих цепях протекает примерно одинаковый, а вот работа производится разная. Лампа, включенная в цепь от городской сети выделяет гораздо больше тепла, чем лампочка от карманного фонарика.
Величина работы электрического тока зависит от двух составляющих:
- сила тока (можно измерить амперметром)
- напряжение (можно измерить вольтметром).
Сопротивление проводников
Некоторые материалы плохо передают электрические заряды, например, стекло, фарфор, канифоль, асбест, резина, пластмасса, дистилированная вода, сухая бумага и многие другие. Эти вещества — изоляторы . А есть материалы, хорошо передающие электрические заряды, такие как: сталь, бронза, медь, алюминий, благородные металлы, растворы солей, щелочей, кислот. Эти материалы — проводники электрического тока.
Закон Ома
Сила тока в проводнике зависит от напряжения на концах этого проводника и от свойств самого проводника. Если в цепь с источником тока включить поочередно различные проводники, то при одном и том же напряжении сила тока на концах этих проводников окажется неодинаковой. А если мы к одному и тому же источнику будем прикладывать различное напряжение, то и сила тока будет изменяться на концах этого проводника прямо пропорционально напряжению.
График зависимости силы тока от напряжения
U — напряжение, J — сила тока
Говоря другими словами, чем больше напряжение (вольт), тем больше сила тока (Ампер). Напряжение и сила тока увеличивается в одинаковое количество раз. Отношение напряжения к силе тока для одного и того же проводника — это величина постоянная, эта величина характеризует свойства проводника, и она называется сопротивлением.
Свободные электроны при перемещении по кристаллической решетке взаимодействуют с ионами, которые являются препятствием на их пути, и для преодоления этого препятствия электроны тратят некоторую часть своей энергии, что приводит к уменьшению силы тока в проводнике. Эти три величины (сила тока, напряжение, сопротивление) характеризуют любую электрическую цепь. Они всегда связаны между собой, и эта связь называется законом Ома.
Закон Ома читается так: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.
Закон Ома является одним из основных законов электрического тока.
Открытие электрического тока Фарадеем в 19 веке перевернуло жизнь всего человечества. Появилась электрическая тяга, электрическая плавка металлов, электрификация сельского хозяйства, использование электричества в медицинских целях, для бытовых нужд, и все это приводит в действие и заставляет работать электрическая энергия. Энергетика питает заводы и фабрики, города и села, целые страны и целые континенты.
Есть вопросы? Спрашивайте, ответим!
Консультация и срочная доставка
тёплых полов Теплолюкс
Национальный Комфорт
Теплолюкс-Profi
Выезд на ремонт тёплого пола
(495) 229–39–84
2293984@mail.ru
Как движутся свободные электроны в металлическом проводнике в случае когда он присоединён к полюсам источника тока.
От минуса к плюсу, так как электрон имеет отрицательный заряд. Вообще, отрицательно заряженные частицы стремятся к положительному полюсу, положительно заряженные — к отрицательному.
По всему объему металла свободные электроны движутся хаотично. Но под действием электрического поля (будем считать постоянного) «облачка» электронов, «электронный туман» 🙂 или как нибудь по другому назовите большие группы хаотично движущихся электронов, начинают двигаться, как и всякие другие отрицательно заряженные частицы, противоположную сторону от напряженности электрического поля. Так как напряженность электрического поля направленно от положительно заряженного полюса к отрицательному, то отрицательно заряженные электроны будут стремиться к положительному полюсу источника электрического поля. Что значит, от «минуса» к «плюсу»
Источник: Многобукф можно не читать 🙂 От минуса к плюсу.
Электроны в проводнике создают магнитное поле и двигаются организованно со скорость прим 4 м/сек.
Похожие вопросы
БИЛИМ БУЛАГЫ
Билим булагы may not look as expected in this version of Internet Explorer. We recommend you upgrade to a newer version of Internet Explorer or switch to a browser like Firefox or Chrome.
Физика: Движение заряженных частиц
Что такое электричество
В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с таким понятием, как «электричество».
Что же такое электричество, всегда ли люди знали о нём? Без электричества представить нашу современную жизнь практически невозможно. Трудно обойтись без освещения и тепла, без телефона, компьютера и телевизора. Электричество настолько глубоко проникло в нашу жизнь, что мы порой и не задумываемся, что это за волшебник помогает нам в работе. Этот волшебник – электричество. В чём же заключается его суть?
Суть электричества сводится к тому, что поток заряженных частиц движется по проводнику (проводник – это вещество, способное проводить электрический ток) в замкнутой цепи от источника тока к потребителю. Двигаясь, поток частиц выполняет определённую работу. Это явление называется «электрический ток». Силу электрического тока можно измерить.
Единица измерения силы тока — Ампер, получила своё название в честь французского ученого, который первым исследовал свойства тока. Имя ученого-физика – Андре Ампер.
Наблюдали первые электрические явления люди ещё в пятом веке до нашей эры. Они замечали, что потёртый мехом или шерстью кусок янтаря притягивает к себе лёгкие тела, например, пылинки. Древние греки даже научились использовать это явление – для удаления пыли с дорогих одежд. Ещё они заметили, что, если сухие волосы расчесать янтарным гребнем, они встают, отталкиваясь друг от друга. Ток – направленное движение заряженных частиц. Если мы имеем дело с металлом, то заряженные частицы – это электроны. Слово «янтарь» по-гречески – это электрон. Таким образом, известное всем понятие «электричество» имеет древние корни.
Как и многое в нашей жизни, электричество имеет не только положительную, но и отрицательную сторону. Электрический ток, как волшебника-невидимку, нельзя рассмотреть, учуять его по запаху. Определить наличие или отсутствие тока можно только, используя приборы, измерительную аппаратуру. Может произойти трагедия при непреднамеренном соприкосновении человека с токоведущими частями.
Что не нужно делать взрослым и детям? Не дотрагивайтесь руками, не подходите близко к проводам и электрокомплексам. Недалеко от линий электропередачи, подстанций не останавливайтесь на отдых, не разводите костры, не запускайте летающие игрушки. Лежащий на земле провод может таить в себе смертельную опасность. Электрические розетки, если в доме маленький ребёнок, – объект особого контроля.
Физики «дали доступ» человечеству к электричеству. Ради будущего учёные шли на лишения, тратили состояния, чтобы вершить великие открытия и дарить результаты своих трудов людям. Давайте бережно относиться к трудам физиков, к электричеству, будем помнить о той опасности, которую оно потенциально несёт в себе.
Действия тока
Можно выделить три основных действия электрического тока:
Тепловое. При прохождении тока проводник нагревается. Это одно из самых главных действий тока, которое используется человеком. Самый простой пример – некоторые бытовые обогреватели
Химическое. Проводник может изменять химический состав при прохождении по нему тока. В частности, при помощи электрического тока добывают некоторые металлы в чистом виде, выделяя их из различных соединений. К примеру, таким образом получают алюминий
Магнитное. Если по проводнику течёт ток, то магнитная стрелка вблизи такого проводника изменит своё положение.
- https://bb.edu.gov.kg/index.php/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:%D0%9C%D1%83%D0%B2%D0%B8_%D0%9C%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%84%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D0%BC%D1%8B_%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%82%D0%BE%D0%BA_3.45-5.59.mp4
- https://bb.edu.gov.kg/index.php/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:%D0%9C%D1%83%D0%B2%D0%B8_%D0%9C%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%84%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D0%BC%D1%8B_%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%82%D0%BE%D0%BA_7.06-7.51.mp4
- https://bb.edu.gov.kg/index.php/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:%D0%9C%D1%83%D0%B2%D0%B8_%D0%9C%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%84%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D0%BC%D1%8B_%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%82%D0%BE%D0%BA_9.01-9.58.mp4
Проводники и диэлектрики
Проводник — это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля.
В проводниках возможно возникновение электрического тока под действием приложенного электрического поля. Все металлы, растворы солей и кислот, влажная почва, тела людей и животных — хорошие проводники электрических зарядов.
Изолятор (или диэлектрик) – тело, не содержащее внутри свободные электрические заряды. В изоляторах электрический ток невозможен.
К диэлектрикам можно отнести стекло, пластик, резину, картон, воздух. Тела, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами.
Абсолютно непроводящая жидкость – дистиллированная, т.е. очищенная, вода (любая другая вода (водопроводная или морская) содержит какое-то количество примесей и является проводником).
Направление тока
За направление электрического тока принимается направление движения положительных электрических зарядов.
Мы говорили о том, что ток в металлах создают движущиеся электроны, которые имеют отрицательный заряд. Почему же возникает такое противоречие?
Когда возник вопрос о направлении электрического тока, ещё никто не знал о существовании электронов. Было решено считать, что ток движется в направлении движения положительных зарядов. Прошло время, учёные выяснили, что в металлах, в частности, движутся электроны, но было решено оставить всё в прежнем виде. Это связано с тем, что знак заряда нас практически не интересует, гораздо больше нас интересует само действие тока.
Движение электронов в проводнике противоположно направлению электрического поля
Электрический ток в металлах
Рассмотрим металлические проводники. Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны, концентрация которых велика — порядка 1028 в кубическом метре. Эти электроны участвуют в хаотическом тепловом движении. Под влиянием же электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью примерно 0,5 мм/с. А скорость распространения электрического поля внутри металлического проводника приближается к 300 000 км/с. Именно эту скорость и связывают с распространением электрического тока в металлах. Проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов. Это экспериментально доказали Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси в 1913 г., затем Б. Стюарт и Р. Толмен в 1916 г.
При движении в проводнике электроны проводимости испытывают столкновения с ионами кристаллической решетки и при этом теряют часть энергии, приобретенной в электрическом поле. Такие столкновения и обусловливают сопротивление проводника. С повышением температуры проводника растет средняя скорость теплового движения электронов и увеличивается амплитуда колебаний ионов в узлах решетки. Это приводит к увеличению количества столкновений электронов с ионами. Таким образом, сопротивление металлов зависит от температуры.
В 1911 г. голландский физик Х. Камерлинг-Оннес открыл чрезвычайное явление — сверхпроводимость. Он обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии ее сопротивление сначала меняется постепенно, а затем, с достижением температуры 4,1 К, резко падает до нуля. Явление уменьшения сопротивления до нуля при температуре, отличной от абсолютного нуля, назвали сверхпроводимостью. Впоследствии сверхпроводимость была обнаружена во многих других металлах. Металлы, которые имеют свойство сверхпроводимости, практически не нагреваются при прохождении через них тока, а это дает возможность передавать энергию без потерь.
- https://bb.edu.gov.kg/index.php/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%82%D0%BE%D0%BA_%D0%B2_%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B0%D1%85.mp4
- https://bb.edu.gov.kg/index.php/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%82%D0%BE%D0%BA_%D0%B2_%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B0%D1%85_1.mp4
Электрический ток в полупроводниках
Полупроводники относятся к металлам, к твердым телам. К их числу принадлежат германий, кремний, мышьяк и др., а также различные сплавы и химические соединения.
Полупроводники — вещества, удельное сопротивление которых убывает с увеличением температуры и зависит от наличия примесей и изменения освещенности. В этих кристаллах атомы соединены между собой ковалентной связью. При нагревании ковалентная связь нарушается, атомы ионизируются. Это обусловливает возникновение свободных электронов и «дырок» — вакантных положительных мест с недостающим электроном.
Собственная проводимость.. В чистом кристалле электрический ток создается равным количеством электронов и «дырок». Проводимость, обусловленную движением свободных электронов и равного им количества «дырок» в полупроводниковом кристалле без примесей, называют собственной проводимостью полупроводника.
Примесная проводимость.. Проводимость проводников зависит от наличия примесей. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь — примесь с большей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния донорной примесью является пятивалентный мышьяк. Четыре валентных электрона атома мышьяка участвуют в создании ковалентной связи, а пятый станет электроном проводимости.
Акцепторная примесь — примесь с меньшей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния акцепторной примесью является трехвалентный индий. Три валентных электрона атома индия участвуют в создании ковалентной связи с тремя атомами кремния, а на месте четвертой незавершенной ковалентной связи образуется «дырка».
Электрический ток в жидкостях
В зависимости от рода жидкости могут быть разные носители. В расплавах металлов – это те же электроны, в электролитах или растворах – ионы, в расплавах полупроводников – электроны и дырки. Чистые растворители, вода, спирт, масло, бензин и т. д. плохо проводят электрический ток.
Явление распада молекул солей, щелочей и кислот в воде на ионы противоположных знаков называют электролитической диссоциацией. Полученные вследствие распада ионы служат носителями заряда в жидкости, а сама жидкость становится проводником.
Вне электрического поля ионы движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля ионы, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля: катионы к катоду, анионы — к аноду. Следовательно, электрический ток в растворах (расплавах) электролитов — это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.
Прохождение электрического тока через раствор электролита всегда сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в его состав. Это явление называют электролизом.
Электролиз широко применяют в различных целях в технике. С помощью электролитического способа покрывают поверхности одного металла тонким слоем другого (никелирование, хромирование, омеднения и т. д.). Это надежное покрытие защищает поверхность металлов от коррозии.
При движении внутри электролитов ионы взаимодействуют с молекулами воды и другими ионами, т.е. электролиты оказывают некоторое противодействие движению, а, следовательно, обладают сопротивлением. Электрическое сопротивление электролитов зависит от концентрации ионов, величины заряда иона, от скорости движения ионов обоих знаков. При увеличении температуры электролита уменьшается его вязкость, что ведет к увеличению скорости движения ионов. Т.е. при повышении температуры сопротивление электролита уменьшается.
Электрический ток в газах
Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.
Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.
Ионизированное состояние газа получило название плазмы. В масштабах Вселенной плазма — наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.
Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом.
В «рекламной» неоновой трубке протекает тлеющий разряд. Светящийся газ представляет собой «живую плазму».
§ 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.
1. 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).
Рис. 36.1. При отсутствии электрического поля свободные электроны в металлах движутся хаотично
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.
Рис. 36.2. Схема устройства для изучения природы электрического тока в металлах: 1 — катушка с металлическим проводом; 2 — скользящие контакты; 3 — чувствительный гальванометр. Катушке придают быстрое вращение и резко останавливают. В результате в цепи возникает электрический ток, который регистрируется гальванометром
• Рассмотрите рис. 36.2. Определите направление движения электронов после остановки катушки и направление кратковременного тока, который при этом возникает.
2. 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.
Рис. 36.3. Опыт, демонстрирующий зависимость сопротивления металлов от температуры. Во время нагревания спирали сила тока в ней уменьшается, следовательно, сопротивление спирали возрастает
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.
3. 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 °C), заметил странное явление: при снижении температуры ртути до 4,15 К (-269 °C) 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 Η. Н. Боголюбов (рис. 36.6) разработали квантовую теорию сверхпроводимости.
Рис. 36.4. Гейке Камерлинг-Оннес (1853-1926) — нидерландский физик, лауреат Нобелевской премии (1913 г.). Открыл явление сверхпроводимости металлов
Рис. 36.5. Джон Бардин (1908-1991), Леон Нил Купер (род. в 1930 г.), Джон Роберт Шриффер (род. в 1931 г.) — лауреаты Нобелевской премии по физике (1972 г.) за разработку квантовой теории сверхпроводимости
Рис. 36.6. Боголюбов Николай Николаевич (1909-1992) — выдающийся физик-теоретик и математик. В 1929-1973 гг. работал в Академии наук Украины. Основатель научных школ в области нелинейной механики, статистической физики и квантовой теории поля
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 °C), 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 см 2 течет ток силой 80 А. Какова средняя скорость направленного движения электронов в проводнике, если в каждом кубическом сантиметре проводника 2,5 • 10 22 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.