Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар

§ 36. Електричний струм у металах

Електричний струм можуть проводити рідини й тверді речовини, за певних умов електричний струм проводять і гази. Вивчення електричного струму в різних середовищах почнемо з вивчення струму в металах. По-перше, усі без винятку метали добре проводять електричний струм, а по-друге, саме з провідністю металів пов’язане широке застосування електричної енергії в житті людини.

1. З’ясовуємо природу електричного струму в металах

Із курсу хімії ви знаєте, що валентні електрони в металах легко залишають «свій» атом і стають вільними, а у вузлах кристалічної ґратки металу залишаються позитивні йони.

За відсутності електричного поля вільні електрони всередині металевого провідника рухаються хаотично. Цей рух нагадує рух молекул газу, саме тому вільні електрони в металах ще називають електронним газом (рис. 36.1). Якщо ж у провіднику створено електричне поле, то електрони, не припиняючи хаотичного руху, починають зміщуватись у бік позитивного полюса джерела струму. Рух електронів стає напрямленим — у металі виникне електричний струм.

Рис. 36.1. Вільні електрони в металах за відсутності електричного поля рухаються хаотично

Електричний струм у металах являє собою напрямлений рух вільних електронів.

Природа струму в металах була експериментально встановлена російськими вченими Леонідом Ісааковичем Мандельштамом і Миколою Дмитровичем Папалексі (1913 р.) під час роботи в Страсбурзькому університеті; методику дослідів удосконалили американські фізики Річард Толмен і Томас Стюарт (1916 р.).

Учені розмірковували приблизно так. Якщо металевому дроту надати швидкого руху (рис. 36.2), а потім різко зупинити, то вільні заряджені частинки в дроті рухатимуться за інерцією (саме так у випадку різкої зупинки транспорту в ньому продовжують рух незакріплені предмети). У результаті в дроті виникне короткочасний струм — його зафіксує гальванометр; за напрямком відхилення стрілки гальванометра можна з’ясувати знак заряду частинок, рух яких спричинив появу струму. За допомогою більш складних дослідів учені дізналися, що електричний струм у металевому дроті створюють електрони.

За рис. 36.2 визначте напрямок руху електронів після зупинки котушки та напрямок короткочасного електричного струму, який при цьому виникає.

Рис. 36.2. Схема пристрою для вивчення природи електричного струму в металах: 1 — котушка з металевим дротом; 2 — ковзні контакти; 3 — чутливий гальванометр. Котушці надають швидкого обертання й різко зупиняють. У результаті в колі виникає електричний струм, який реєструється гальванометром

2. Дізнаємося, як опір металів залежить від температури

Проведемо такий дослід. З’єднаємо сталеву спіраль із джерелом струму й підігріватимемо спіраль у полум’ї спиртівки (рис. 36.3). При цьому напругу будемо підтримувати незмінною. Дослід демонструє: у міру нагрівання спіралі сила струму в ній зменшується, а це означає, що опір спіралі зростає.

Рис. 36.3. Дослід, що демонструє залежність опору металів від температури. У процесі нагрівання спіралі сила струму в ній зменшується, отже, опір спіралі зростає

Якщо провести подібні досліди зі спіралями, виготовленими з інших металів, можна переконатися, що зі збільшенням температури опір цих спіралей також збільшується, але зміна опору кожного разу буде іншою.

Опір металевого провідника збільшується в разі підвищення температури та зменшується в разі її зниження. Зміна опору залежить від матеріалу, з якого виготовлений провідник.

Знаючи, як залежить опір металевого провідника від температури, можна, вимірявши опір провідника, визначити його температуру. Цей факт покладено в основу роботи так званих термометрів опору (рис. 36.4).

Рис. 36.4. Зовнішній вигляд і схематичне позначення термометра опору (а); будова датчика термометра (б). Датчик розміщують у середовищі, температуру якого вимірюють. Опір дроту вимірюється спеціальним приладом, і за відомим опором визначають температуру. На практиці шкалу приладу відразу градуюють в одиницях температури

3. Знайомимося з явищем надпровідності

У 1911 р. нідерландський учений Г. Камерлінг-Оннес (1853-1926), досліджуючи, як поводиться ртуть за температур, близьких до абсолютного нуля (-273 °С), помітив дивне явище: в разі зниження температури ртуті до 4,15 К (-269 °С) її питомий опір стрибком падає до нуля. Подібне відбувалося з оловом, свинцем та іншими металами. Це явище назвали надпровідністю. Надпровідність неможливо пояснити з погляду елементарної електронної теорії провідності металів. У 1957 р. група американських учених (рис. 36.5) і незалежно від них радянський учений Μ. М. Боголюбов (рис. 36.6) розробили квантову теорію надпровідності.

Рис. 36.5. Джон Бардін (1908-1991), Леон Ніл Купер (нар. 1930 р.), Джон Роберт Шріффер (1931-2019) — лауреати Нобелівської премії з фізики (1972 р.) за розробку квантової теорії надпровідності

Рис. 36.6. Боголюбов Микола Миколайович (1909-1992) — видатний фізик-теоретик і математик. У 1929-1973 рр. працював в Академії наук України. Засновник наукових шкіл у галузі нелінійної механіки, статистичної фізики і квантової теорії поля

Підбиваємо підсумки

Електричний струм у металах являє собою напрямлений рух вільних електронів. За відсутності електричного поля вільні електрони в металах рухаються хаотично. Якщо ж у металевому провіднику створити електричне поле, то вільні електрони, не припиняючи свого хаотичного руху, починають рухатися напрямлено.

Опір металевих провідників залежить від температури. Цей факт покладено в основу роботи термометрів опору.

У разі зменшення температури деяких металів до температур, близьких до абсолютного нуля (-273 °С), їхній опір стрибком падає до нуля. Це явище називають надпровідністю.

Контрольні запитання

1. Опишіть характер руху вільних електронів у металах за відсутності електричного поля; за наявності електричного поля. 2. Що являє собою електричний струм у металах? 3. Опишіть суть досліду з виявлення природи електричного струму в металах. 4. Чи залежить опір металів від температури? Якщо залежить, то як? 5. У чому полягає явище надпровідності?

Вправа № 36

1. Електрон розташований в електричному полі, силові лінії якого зображено на рисунку. Як напрямлена сила, з якою це поле діє на електрон?

2. Яке твердження з наведених є істинним?

  • а) Зі збільшенням температури опір металів збільшується.
  • б) Зі збільшенням температури опір металів зменшується.
  • в) Напрямок електричного струму в металевому провіднику збігається з напрямком руху електронів.

3. Металева нитка розжарення електричної лампи поступово тоншає через випаровування металу з її поверхні та врешті-решт перегоряє. Поясніть, чому нитка перегоряє в найтоншому місці й найчастіше в той момент, коли лампу вмикають.

4. У металевому провіднику завдовжки 10 см і з площею поперечного перерізу 0,4 см2 тече струм силою 80 А. Якою є середня швидкість напрямленого руху електронів у провіднику, якщо в кожному кубічному сантиметрі провідника міститься 2,5 • 1022 вільних електронів?

5. Визначте значення і знак заряду отриманого йона, якщо: а) нейтральний атом міді втратив два електрони; б) нейтральний атом хлору приєднав один електрон.

Фізика і техніка в Україні

Лев Васильович Шубников (1901-1937) — видатний фізик-експериментатор зі світовим ім’ям. Значну частину свого короткого життя Л. В. Шубников мешкав у Харкові, де очолював створену ним лабораторію низьких температур при Харківському фізико-технічному інституті. Лев Васильович започаткував дослідження металів у надпровідному стані, коли електричний опір матеріалу дорівнює нулю. Також важливе значення мали експерименти з отримання зріджених газів, зокрема водню, азоту та кисню.

Найвища нагорода для вченого — це використання його прізвища для назви відкритого ним явища. «Ефект Шубникова — де Гааза», «фаза Шубникова», «метод Обреїмова — Шубникова» — це лише декілька прикладів внеску видатного вченого в сучасну фізику.

У 2001 р. на честь Л. В. Шубникова було названо наукову премію НАН України за видатні наукові роботи в галузі експериментальної фізики.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.